Mocne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w Azji. Największym wytwórcą i dystrybutorem gotowych wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Podstawowymi odbiorcami stały się firmy produkcyjne, projektujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów oraz stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie badań oraz projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opierało się o dwie metody. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań oraz potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Natomiast systematyczne doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, lecz nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technik ich produkowania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które planowano zastosować do produkcji silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza też lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym z procesów produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy były projektowane kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie modyfikować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do torebek, portfeli oraz branża reklamowa.