Magnesy neodymowe

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zatrzaski do portfeli oraz torebek, a także szeroko pojęta reklama.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w zakresie silnych magnesów oraz technologii ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkowania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą oraz dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są podmioty z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do produkcji takich wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane materiały, które miały posłużyć do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem też lekkie lantanowce, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim procesem produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy naukowcy projektowali następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników boru. Poza tym można też w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.