silne magnesy neodymowe

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym producentem i dystrybutorem gotowych wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami są firmy z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu powyższych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W USA od dawna prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu regulować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korozję. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy projektowano coraz to nowe mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia produkowania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM metodą szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników boru. Poza tym można też w pewien sposób regulować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama oraz marketing.

Magnesy neodymowe to dziś najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o 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 i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Daje to bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy, jakie chciano użyć do produkcji silnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym etapem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.