Silne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz eksporterem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi grupami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu kontrolować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to systematyczne poprawianie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technik ich tworzenia.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, które chciano użyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów produkowania mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do portfeli i torebek oraz marketing i reklama.