Silne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem i dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Najważniejszymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Przy wytwarzaniu silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany 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 wsparcie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opierało się na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Za to regularne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo badane materiały, które planowano zastosować do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazują nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom uzyskano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Poza tym można też w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez dołożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, w czasie spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Umożliwia to świetne magnesowanie opisywanych magnesów.