Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie kiedy były projektowane coraz to nowe magnesy o dużej mocy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać przez dodanie do puli składników domieszki boru. Poza tym można również w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to obecnie najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak opracowany wtedy stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technologii ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Daje to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem i eksporterem gotowych produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosowane są głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi odbiorcami stały się firmy produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to systematyczne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, które miały posłużyć do produkcji silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Ostatecznym z etapów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.