Magnesy neodymowe

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą tego typu produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Najważniejszymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na rozwój zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie gdy były projektowane coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka 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 boru. Dodatkowo można też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł kolejne odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich tworzenia.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które chciano użyć do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym z etapów produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.