neodymowe magnesy

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dołożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Neodymowe magnesy to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w zakresie magnesów o dużej sile oraz technik ich produkowania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, w czasie spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Największym producentem, a także dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi rodzajami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, tworzące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną i ogólną wydajność silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzi się specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwój badań oraz projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu opierało się na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to ciągłe doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zamykania do galanterii oraz reklama oraz marketing.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które planowano zastosować do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale mają charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatecznym etapem produkcji magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.