zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, jakie miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają prócz żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym procesem tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy wytwarzano w zakładach firmy GM metodą szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dołożenie warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem oraz eksporterem takich wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Głównymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu powyższych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów oraz materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój badań oraz projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w dziedzinie silnych magnesów oraz technologii ich produkowania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu świetne magnesowanie magnesów neodymowych.