MOCNE MAGNESY NEODYMOWE

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi odbiorcami stały się podmioty z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opierało się o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM techniką szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można też w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale opracowany wtedy stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz technik ich produkcji.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Pierwsze znane badania i testy nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, jakie miały posłużyć do wytwarzania mocnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale mają szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Ostatnim procesem produkcji mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do torebek, portfeli oraz szeroko pojęta reklama.