Magnesy

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Podstawowym producentem i dostawcą gotowych wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi odbiorcami stały się firmy z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzi się badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do galanterii oraz reklama i marketing.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy, które zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają charakterystyczne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają prócz żelaza także lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.

Magnesy neodymowe to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz technik ich wytwarzania.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie kiedy były projektowane kolejne mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors techniką szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom otrzymano przez dodatek do puli składników boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.