silne magnesy neodymowe

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli oraz torebek, a także reklama oraz marketing.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy były projektowane kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto interesujące magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą, a także dostawcą gotowych wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi grupami odbiorców stały się firmy produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i ogólną wydajność silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. W USA już od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów oraz materiałów. W 2011 roku zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Neodymowe magnesy to obecnie najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Daje to bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów miały swój początek 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 wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, jakie chciano użyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają poza żelazem również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym z procesów produkowania mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.