Neodymowe magnesy

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są firmy produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing oraz reklama.

Magnesy neodymowe to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich wytwarzania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, w czasie wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy metali, jakie planowano zastosować do wytwarzania magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z procesów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w pewien sposób zmieniać parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą takich wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Ważnymi odbiorcami zostały firmy produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. W 2011 roku zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań i projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie technologie. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korozję. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.