MAGNESY

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy były projektowane następne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy wytwarzano w zakładach firmy GM metodą szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Poza tym da się też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zapięcia do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami nadającymi się do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, które miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Największym wytwórcą oraz eksporterem takich wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. W 2011 roku zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opiera się o dwie metody. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie przedstawianych magnesów.