Mocne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu powyższych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie badań i projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz szeroko pojęta reklama.

Pierwsze testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, które chciano użyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z procesów produkcji mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Magnesy neodymowe to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, lecz wymyślony materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Poza tym można też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.