magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w specjalne powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy metali, które miały posłużyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazują nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w zakresie silnych magnesów oraz technologii ich wytwarzania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, w czasie produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Pozwala to na bardzo dobre magnesowanie magnesów neodymowych.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą oraz dystrybutorem takich produktów są Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi odbiorcami stały się podmioty produkcyjne, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu tych pierwiastków, znacznie powiększono koercję magnetyczną i wydajność całkowitą magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych od dawna realizowane są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularna jest technika szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Za to regularne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.