Silne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem takich wyrobów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Podstawowymi grupami odbiorców zostały przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu tych związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W USA od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwój zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie metody. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które chciano użyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem też lekkie lantanowce, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym etapem produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkowania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, na etapie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz wytwarzające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli i torebek, a także marketing i reklama.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie gdy były projektowane coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM sposobem szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.