MAGNESY NEODYMOWE

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do galanterii oraz marketing i reklama.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu świetne magnesowanie przedstawianych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy projektowano kolejne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dołożenie warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym wytwórcą, a także dostawcą takich wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Głównymi odbiorcami stały się podmioty produkcyjne, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało o dwie metody. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast regularne ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy, jakie planowano zastosować do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają prócz żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim etapem tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.