neodymowe magnesy

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy, jakie miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkowania mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli, a także marketing i reklama.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Daje to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem, a także dystrybutorem tego typu produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami stały się firmy z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu tych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.