Neodymowe magnesy

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w Azji. Głównym producentem i dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Ważnymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało o dwie technologie. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb oraz oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się kontrolować magnetyczne parametry magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korozję. Natomiast ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz opracowany wtedy stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkowania.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Pozwala to na świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie kiedy projektowano kolejne silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym da się też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli i torebek, a także marketing oraz reklama.

Pierwsze badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, jakie chciano użyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym procesem produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.