neodymowe magnesy

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem i eksporterem gotowych produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi rodzajami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych związków, znacznie powiększono koercję magnetyczną i wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie badań oraz projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, jakie zamierzano wykorzystać do stworzenia mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z etapów produkowania mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, lecz nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz metod ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkcji mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy projektowano następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors techniką szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu oraz żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.