SILNE MAGNESY NEODYMOWE

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy naukowcy projektowali następne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto interesujące cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zapięcia do galanterii, a także branża reklamowa.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz metod ich tworzenia.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie magnesów neodymowych.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą, a także eksporterem tego typu wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami które mogłyby się nadawać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, jakie planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem też lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatnim z procesów produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.