Neodymowe magnesy

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz eksporterem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Podstawowymi odbiorcami stały się podmioty produkcyjne, projektujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zyskała technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań oraz potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Natomiast systematyczne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Neodymowe magnesy to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy, jakie chciano użyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym z procesów tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.