magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można również w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze materiały, jakie planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały charakterystyczne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym etapem tworzenia silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Neodymowe magnesy to dziś najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich produkowania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, na etapie wytwarzania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Daje to świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do galanterii oraz branża reklamowa.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym wytwórcą i dostawcą takich wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.