zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak opracowany wtedy skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich tworzenia.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas spiekania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą oraz eksporterem takich wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są firmy produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas gdy były projektowane następne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób regulować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, które planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie prócz żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.