Neodymowe magnesy

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem, a także eksporterem takich produktów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi rodzajami odbiorców zostały firmy produkcyjne, projektujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji takich wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie tych pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i całościową wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów oraz stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opiera się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też dostarczające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, które chciano użyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z etapów produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Neodymowe magnesy to obecnie najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie gdy projektowano coraz to nowe mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Poza tym można też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.