Silne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi grupami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów oraz materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opierało się o dwie technologie. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom można korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami metali nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, które chciano użyć do stworzenia mocnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają prócz żelaza również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym dokłada się do nich kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym procesem tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są podmioty produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do galanterii oraz marketing i reklama.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, ale opracowany wtedy stop znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich produkowania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy projektowano coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w pewien sposób korygować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.