silne magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie kiedy projektowano kolejne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich produkowania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do produkcji silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które zamierzano wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim procesem produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Podstawowym producentem, a także dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców są firmy zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na finansowanie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych domieszek, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Natomiast ciągłe ulepszanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli, a także szeroko pojęta reklama.