MOCNE MAGNESY NEODYMOWE

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane kolejne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w pewien sposób regulować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą oraz dystrybutorem takich produktów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Najważniejszymi odbiorcami są firmy z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opierało się na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można regulować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do produkcji silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, jakie miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym etapem tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, jednak wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz metod ich tworzenia.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy też dostarczające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.