neodymowe magnesy

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane głównie w Azji. Głównym producentem i dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców są podmioty z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do produkcji takich używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów i materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na wspieranie badań oraz projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można kontrolować magnetyczne parametry samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to systematyczne poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy naukowcy projektowali następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem oraz borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dodanie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowocześniejsze magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technik ich produkcji.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Daje to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane materiały, które planowano zastosować do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione mają nietypowe cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.