Neodymowe magnesy

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą i dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców zostały przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu powyższych pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat realizowane są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korozję. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

Magnesy neodymowe to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale opracowany wtedy skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł kolejne odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz metod ich produkowania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad materiałami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, które planowano zastosować do stworzenia mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym z etapów produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób regulować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.