Magnesy neodymowe

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane głównie w Azji. Podstawowym producentem, a także dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców stały się firmy zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów neodymowych oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania nowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors techniką dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość uzyskano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, które chciano użyć do stworzenia mocnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają szczególne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym etapem produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz technik ich produkowania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Pozwala to na świetne magnesowanie magnesów neodymowych.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii oraz branża reklamowa.