Neodymowe magnesy

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii, a także branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to obecnie najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne odkrycia w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich produkcji.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne parametry magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Pozwala to na doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem i dystrybutorem tego typu wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi odbiorcami stały się podmioty produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opierało się na dwóch metodach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, które miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają prócz żelaza także lekkie lantanowce, 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 zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym etapem produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali następne mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors sposobem szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.