Mocne magnesy neodymowe

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą takich produktów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwijanie badań oraz projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast regularne doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie 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 ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy neodymowe to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami metali które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. W początkowym okresie badane materiały, jakie miały posłużyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Finalnym z etapów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zamykania do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.