Magnesy neodymowe

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą i eksporterem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Podstawowymi grupami odbiorców zostały firmy produkcyjne, projektujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W USA od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów oraz materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy, jakie zamierzano wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkcji magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz technik ich produkowania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie gdy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można również w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.