zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami które mogłyby się nadawać do stworzenia silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do ziem rzadkich. Początkowo badane stopy metali, które miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów tworzenia mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

Neodymowe magnesy to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Pozwala to na doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem tego typu produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się regulować właściwości magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Za to ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania nowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.