zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli i torebek, a także szeroko pojęta reklama.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors sposobem szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym da się też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do stworzenia silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Początkowo badane stopy metali, jakie planowano zastosować do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak 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 poza tym dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatecznym z procesów produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą, a także dystrybutorem takich wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosowane są głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Podstawowymi grupami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do produkcji takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Neodymowe magnesy to dziś najsilniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, na etapie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Daje to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.