Magnesy neodymowe

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym producentem oraz dostawcą gotowych wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów oraz badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkowania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, na etapie spiekania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Daje to doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też dostarczające rozmaite przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek oraz reklama oraz marketing.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy metali, które miały posłużyć do produkcji mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym etapem produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy projektowano kolejne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces produkowania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.