zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich produkowania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami metali które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane materiały, które miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazują nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym z etapów tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie kiedy projektowano następne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors metodą dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie regulować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem oraz eksporterem gotowych produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Ważnymi odbiorcami są przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to systematyczne ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli oraz branża reklamowa.