Mocne magnesy neodymowe

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli i torebek, a także marketing oraz reklama.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy projektowano kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w szerokim zakresie zmieniać parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość 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 pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym etapem tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem oraz eksporterem gotowych produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu tych związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz całościową wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wsparcie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opiera się o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korozję. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz technik ich produkowania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Daje to świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.