mocne magnesy neodymowe

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Głównymi grupami odbiorców zostały przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu tych substancji, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można kontrolować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę proszków samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do galanterii oraz rzecz jasna reklama oraz marketing.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors metodą dynamicznego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można też w szerokim zakresie regulować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu innych 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. Jest to realizowane przez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami które mogłyby się nadawać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym procesem produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.