Neodymowe magnesy

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli i torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz sposobów ich produkowania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, w czasie produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze znane badania i testy nad materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, jakie zamierzano wykorzystać do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale mają charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkcji silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą, a także dystrybutorem gotowych produktów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie tych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany 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 wsparcie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom można regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to regularne ulepszanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.