MOCNE MAGNESY NEODYMOWE

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą oraz eksporterem takich produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi grupami odbiorców stały się podmioty produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie powyższych związków, znacznie powiększono koercję magnetyczną i całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat realizowane są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korozję. Za to systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania nowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich tworzenia.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, w czasie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Daje to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, jakie chciano użyć do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.