MAGNESY NEODYMOWE

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas kiedy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym można również w dowolny sposób regulować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem i eksporterem takich wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców zostały firmy produkcyjne, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. W USA od wielu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika szybkiego chłodzenia. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korozję. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz technik ich produkowania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy metali, które zamierzano wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym z procesów produkcji mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.