neodymowe magnesy

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, jakie miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem też dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technik ich wytwarzania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej budowie. Poprzez użycie, podczas produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas gdy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM sposobem szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego można też w pewien sposób zmieniać właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz eksporterem gotowych produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Głównymi odbiorcami zostały firmy zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wsparcie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to systematyczne ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.