MAGNESY NEODYMOWE

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, lecz wymyślony materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem, a także eksporterem takich wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów i materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu regulować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas gdy projektowano następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Poza tym da się też w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad stopami nadającymi się do produkcji bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane materiały, które zamierzano wykorzystać do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatecznym etapem produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.