Neodymowe magnesy

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dystrybutorem takich wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi rodzajami odbiorców są podmioty produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu powyższych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. W USA od wielu lat prowadzi się 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 prawie 32 miliony dolarów na rozwój badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opierało się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie regulować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie kiedy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto interesujące magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors metodą szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem oraz borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, które zamierzano wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku 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 ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim procesem produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich produkcji.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Pozwala to na świetne magnesowanie neodymowych magnesów.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do portfeli oraz torebek, a także szeroko pojęta reklama.