zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, które chciano użyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają poza żelazem również lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym z procesów produkcji mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym producentem oraz dostawcą gotowych produktów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Głównymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom 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 zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas gdy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego 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.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz technologii ich tworzenia.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe doskonałe magnesowanie przedstawianych magnesów.