silne magnesy neodymowe

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Głównym producentem i dostawcą gotowych produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i całościową wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze znane badania i testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy metali, jakie chciano użyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Te mało znane metale mają charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów tworzenia silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w zakresie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Daje to bardzo dobre magnesowanie magnesów neodymowych.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas gdy projektowano coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do torebek, portfeli, a także marketing oraz reklama.