neodymowe magnesy

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii, a także branża reklamowa.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie kiedy naukowcy projektowali następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak opracowany wtedy stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, w czasie produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie magnesów neodymowych.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem oraz dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na rozwój projektów oraz badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast regularne ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza też lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Finalnym z procesów produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.