Neodymowe magnesy

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Największym wytwórcą oraz dystrybutorem gotowych produktów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi grupami odbiorców zostały firmy produkcyjne, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie tych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów oraz materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do portfeli oraz torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe odkrycia w dziedzinie mocnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników domieszki boru. Oprócz tego da się też w pewien sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy, jakie chciano użyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były tworzone o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają prócz żelaza także lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatnim z etapów produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.