neodymowe magnesy

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do portfeli oraz torebek, a także branża reklamowa.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy były projektowane następne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą, a także dystrybutorem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi rodzajami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można regulować właściwości magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze znane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy metali, które chciano użyć do produkcji silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale mają szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.

Neodymowe magnesy to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze pomysły w obszarze mocnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.