Silne magnesy neodymowe

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą gotowych produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu powyższych substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań oraz potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zatrzaski do galanterii, a także reklama i marketing.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w dziedzinie silnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie kiedy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Poza tym można też w pewien sposób modyfikować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy, które chciano użyć do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale mają nietypowe cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym z procesów produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.