Neodymowe magnesy

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu wyrobów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Ważnymi rodzajami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch technologiach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb oraz oczekiwań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w zakresie silnych magnesów oraz sposobów ich produkowania.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy projektowano następne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Poza tym można również w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dołożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Pierwsze badania i testy nad stopami metali nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, jakie chciano użyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.