Neodymowe magnesy

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą i dystrybutorem takich produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów stosuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. W 2011 roku zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało o dwie technologie. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technologii ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Pozwala to na świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas gdy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym etapem produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.