Neodymowe magnesy

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą, a także eksporterem tego typu wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Głównymi odbiorcami są podmioty produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało o dwie metody. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu regulować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to systematyczne ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie kiedy były projektowane kolejne mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można też w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz technologii ich produkowania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące rozmaite maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zatrzaski do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad stopami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, które miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym z etapów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.