MAGNESY NEODYMOWE

Pierwsze testy oraz badania nad materiałami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym z procesów produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie gdy były projektowane następne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez nałożenie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek, a także szeroko pojęta reklama.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technologii ich produkowania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, na etapie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe magnesowanie przedstawianych magnesów.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą oraz eksporterem takich produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Ważnymi rodzajami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie powyższych substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.