Silne magnesy neodymowe

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem, a także dystrybutorem tego typu produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu innych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy metali, jakie miały posłużyć do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym z etapów produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas gdy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym można również w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowe typy magnesów neodymowych, 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 oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.