silne magnesy neodymowe

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Poprzez użycie, w czasie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Pozwala to na świetne magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy metali, jakie zamierzano wykorzystać do stworzenia silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi odbiorcami są przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej związków, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W USA już od dawna prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania nowych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie kiedy były projektowane kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.