Magnesy neodymowe

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Największym producentem oraz dystrybutorem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosuje się głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie powyższych związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opierało się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, w czasie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w pewien sposób zmieniać parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez nałożenie warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz marketing i reklama.

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, składającymi się z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które zamierzano wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Ostatnim z procesów tworzenia mocnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.