Magnesy neodymowe

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą, a także dostawcą gotowych wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi odbiorcami stały się firmy produkcyjne, tworzące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu tych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań oraz projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie da się kontrolować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie gdy projektowano następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami które mogłyby się nadawać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, które planowano zastosować do stworzenia mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazują szczególne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe mają w składzie poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

Neodymowe magnesy to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technologii ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe namagnesowanie magnesów neodymowych.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do galanterii, a także reklama i marketing.