Magnesy neodymowe

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie tych związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch technologiach. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można również w pewien sposób zmieniać właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też dostarczające rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli oraz reklama i marketing.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami metali nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy metali, które miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym z procesów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.