Neodymowe magnesy

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do portfeli i torebek oraz reklama i marketing.

Pierwsze testy oraz badania nad materiałami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, jakie chciano użyć do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą oraz dystrybutorem gotowych wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Głównymi rodzajami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się regulować właściwości magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania nowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy naukowcy projektowali następne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, w czasie produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Pozwala to na doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.