Neodymowe magnesy

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Największym wytwórcą, a także eksporterem gotowych produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, oferujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań oraz potrzeb, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zapięcia do torebek, portfeli oraz reklama i marketing.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas gdy projektowano kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można też w pewien sposób zmieniać parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy, które planowano zastosować do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza też lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym procesem tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz metod ich tworzenia.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.