Neodymowe magnesy

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do galanterii oraz branża reklamowa.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Największym producentem oraz dostawcą tego typu produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwój projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w USA popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się kontrolować magnetyczne parametry magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania nowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy były projektowane kolejne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym można również w szerokim zakresie regulować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Neodymowe magnesy to obecnie najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technik ich wytwarzania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, na etapie produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu świetne magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze badania i testy nad stopami metali które mogłyby się nadawać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy metali, jakie chciano użyć do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza także lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym procesem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.