silne magnesy neodymowe

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane głównie w Azji. Głównym wytwórcą i dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną i całościową wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów oraz badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie kontrolować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to ciągłe doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można też w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do produkcji bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, które planowano zastosować do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, ale problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w obszarze mocnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej ważnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.