Magnesy neodymowe

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem oraz eksporterem tego typu produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, znacznie powiększono koercję magnetyczną oraz całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy. W USA już od wielu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do opracowania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany stop znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technik ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Daje to doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami metali które mogłyby się nadawać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy metali, które miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatnim procesem produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można też w pewien sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też wytwarzające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.