Jak powstaje magnes neodymowy

Magnes neodymowy nie jest odlewany ani wycinany z bloku litego metalu. Powstaje ze sproszkowanego stopu, który najpierw ustawia się w polu magnetycznym, potem prasuje, spieka i dopiero na samym końcu magnesuje. Kolejność tych kroków nie jest dowolna i to z niej biorą się wszystkie ograniczenia, na które kupujący natrafia później: dlaczego magnesu nie da się przemagnesować w innym kierunku, dlaczego nie wolno go szlifować i dlaczego uszkodzona powłoka oznacza koniec.

Poniżej osiem etapów po kolei, a na końcu sekcja o tym, co z nich wynika przy zakupie.

1. Wytop stopu i szybkie chłodzenie

Materiałem wyjściowym jest stop neodymu, żelaza i boru — stąd oznaczenie NdFeB. W większości gatunków część neodymu zastępuje się prazeodymem, a do stopu dodaje niewielkie ilości dysprozu lub terbu, które podnoszą odporność na odmagnesowanie w podwyższonej temperaturze. To właśnie te dodatki decydują o tym, czy magnes ma sufit temperaturowy 80 °C, czy 150 °C przy tej samej klasie energetycznej.

Wytop prowadzi się w atmosferze ochronnej albo w próżni, bo neodym w kontakcie z powietrzem natychmiast się utlenia. Ciekły stop wylewa się na obracający się, chłodzony walec — technika nazywana strip casting. Metal zastyga w postaci cienkich, kruchych płatków, w ułamku sekundy.

Szybkie chłodzenie ma tu konkretny cel: przy powolnym stygnięciu w stopie wydzielają się duże ziarna czystego żelaza, które magnetycznie są bezużyteczne i psują strukturę. Płatek zastygnięty na walcu ma drobne, jednorodne ziarno — i to jest punkt wyjścia dla wszystkiego, co dalej.

2. Kruszenie wodorem i mielenie do proszku

Płatki trzeba zamienić w proszek o ziarnie rzędu pojedynczych mikrometrów. Robi się to dwuetapowo.

Najpierw kruszenie wodorem. Materiał umieszcza się w atmosferze wodoru, który wnika w strukturę stopu i powoduje jego pęcznienie. Płatki rozpadają się same, wzdłuż granic ziaren — bez młotów, bez zgniatania, bez wprowadzania naprężeń. Potem wodór usuwa się przez podgrzanie w próżni.

Drugi etap to mielenie strumieniowe. Cząstki rozpędza się strumieniem gazu obojętnego i rozbija o siebie nawzajem. Nie ma tu mielników ani kul, które ścierałyby się i zanieczyszczały proszek. Wynikiem jest proszek o ziarnie kilku mikrometrów, w którym pojedyncze ziarno jest na tyle małe, że stanowi pojedynczą domenę magnetyczną. To jest sedno całej technologii — magnes neodymowy jest silny dlatego, że składa się z milionów drobnych ziaren, z których każde ma jeden, wymuszony kierunek.

Taki proszek jest skrajnie reaktywny. Wystawiony na powietrze potrafi się zapalić samoczynnie, więc całą obróbkę prowadzi się w atmosferze ochronnej.

3. Prasowanie w polu magnetycznym — tu powstaje kierunek

To jest etap, który ma największe znaczenie praktyczne dla kupującego.

Proszek zasypuje się do formy i przykłada silne pole magnetyczne. Każde ziarno obraca się wtedy tak, żeby jego naturalna oś magnetyczna ustawiła się zgodnie z kierunkiem pola. Dopiero po ustawieniu ziaren proszek zostaje sprasowany — mechanicznie, tłokiem albo izostatycznie, ciśnieniem cieczy działającym ze wszystkich stron.

Od tej chwili kierunek jest wbudowany w strukturę materiału. Nie jest to naładowanie, które da się skasować i zrobić od nowa — to fizyczne ułożenie ziaren, zamrożone przez spiekanie w kolejnym kroku.

Dlatego w katalogu przy każdym magnesie stoi kierunek namagnesowania, a nie jest to informacja dodatkowa — to jest parametr równie ważny jak wymiar. Który kierunek do czego, opisałem na stronie dobór magnesów do przeróbki silnika.

4. Spiekanie i obróbka cieplna

Sprasowany wypraskę ma na tym etapie konsystencję zbitej kredy — trzyma kształt, ale rozpada się w palcach. Trafia do pieca próżniowego, gdzie ziarna łączą się ze sobą i materiał gęstnieje. Wypraska kurczy się przy tym o kilkanaście procent objętości.

Po spiekaniu następuje obróbka cieplna — kontrolowane wygrzewanie i studzenie, które porządkuje granice między ziarnami. To one decydują o odporności magnesu na odmagnesowanie: im czystsza i cieńsza warstwa między ziarnami, tym trudniej przeskoczyć kierunek jednemu ziarnu i pociągnąć za sobą sąsiednie.

Wyrób opuszczający piec jest twardy, kruchy i nienamagnesowany. Wygląda jak kawałek szarego, matowego metalu i nie przyciąga niczego.

5. Szlifowanie na wymiar

Spiekanie nie daje dokładnego wymiaru — skurcz jest przewidywalny, ale nie co do setnej milimetra. Ostateczny kształt nadaje się przez szlifowanie i cięcie tarczami diamentowymi, na mokro.

Obróbkę prowadzi się na materiale nienamagnesowanym i to nie jest wybór wygody. Namagnesowany wyrób ściągałby do siebie każdy opiłek z obrabiarki, a chłodziwo zamieniłoby się w zawiesinę wiórów oblepiającą narzędzie. Poza tym pole utrudniałoby samo mocowanie na stole.

Materiał jest twardy i kruchy jak ceramika — nie da się go wiercić wiertłem do metalu, toczyć ani gwintować. Wszystkie otwory, sfazowania i wgłębienia pod łeb wkrętu powstają właśnie tutaj, na szlifierce. Po tym etapie kształtu już się nie zmienia.

6. Powłoka ochronna

Spiek NdFeB koroduje. Neodym utlenia się chętnie, a struktura złożona z drobnych ziaren daje wilgoci mnóstwo dróg wejścia w głąb materiału. Nieosłonięty magnes w wilgotnym powietrzu zaczyna pęcznieć i rozsypywać się na proszek. Dlatego każdy magnes neodymowy jest powlekany.

powłoka	jak powstaje	kiedy się sprawdza, a kiedy odpada
Ni-Cu-Ni	trzy warstwy nakładane galwanicznie: nikiel, miedź, nikiel	standard w ponad 90% wyrobów. Twarda, błyszcząca, odporna na ścieranie. Odpada w kontakcie z wodą morską i w środowisku kwaśnym
cynk	galwanicznie, jedna warstwa	tańsza, matowoszara. Miękka, łatwo ją porysować; z czasem ciemnieje. Do zastosowań wewnętrznych i tam, gdzie liczy się cena
epoksyd	lakier nakładany na warstwę niklu albo cynku	najlepsza odporność chemiczna i na wilgoć. Grubsza od galwanicznej, więc zjada część szczeliny; da się ją przeciąć paznokciem

Warstwa Ni-Cu-Ni ma grubość rzędu kilkunastu mikrometrów. Miedź w środku nie jest dekoracją — jest miękka i przejmuje naprężenia, dzięki czemu twardy nikiel na wierzchu nie pęka przy zginaniu podłoża.

7. Namagnesowanie w impulsie

Do tej pory mieliśmy gotowy kształt z gotową powłoką, który magnesem jeszcze nie jest. Ostatni krok to namagnesowanie.

Wyrób wkłada się w cewkę i przepuszcza przez nią impuls prądu z baterii kondensatorów. Impuls trwa ułamek sekundy, ale pole, które wytwarza, jest na tyle silne, że wymusza jednakowy kierunek we wszystkich ziarnach naraz — wzdłuż tej samej osi, która została ustalona w prasie na etapie trzecim.

Po impulsie magnes jest nasycony i od tej chwili zachowuje swoje właściwości. Ten sam mechanizm działa w urządzeniach warsztatowych do magnesowania narzędzi — opisałem je na stronie magnetyzery.

Namagnesowanie na samym końcu upraszcza całą produkcję: wcześniejsze etapy — szlifowanie, mycie, powlekanie galwaniczne, pakowanie — odbywają się na materiale obojętnym, który nie zbiera opiłków i nie skleja się w kąpieli galwanicznej.

8. Kontrola: indukcja i udźwig to dwie różne liczby

Gotowy magnes sprawdza się dwoma niezależnymi pomiarami i warto rozumieć, czym się różnią, bo w katalogach bywają mylone.

Indukcja na powierzchni to pomiar teslomierzem z sondą Halla, przyłożoną do środka bieguna. Podaje się ją w militeslach. Zależy nie tylko od gatunku materiału, ale też od kształtu: płaski, cienki magnes ma indukcję niższą niż wysoki walec z tego samego stopu, bo pole rozchodzi się w nim inaczej. Dlatego dwa magnesy tej samej klasy N38 mogą mieć różną indukcję i nie jest to błąd pomiaru.

Udźwig to siła potrzebna do oderwania magnesu od grubej, płaskiej płyty stalowej, podawana w kilogramach albo niutonach. To wartość porównawcza, zmierzona w warunkach idealnych: pełny kontakt, brak szczeliny, odrywanie prostopadle do powierzchni. W praktyce cienka warstwa lakieru na blasze albo ściąganie w bok potrafi ściąć tę liczbę o połowę.

Poza tym mierzy się wymiary, sprawdza przyczepność powłoki i — w wyrobach z atestem — pełną krzywą odmagnesowania, która pokazuje, przy jakim polu przeciwnym i w jakiej temperaturze magnes zaczyna tracić właściwości.

Co z tego wynika przy zakupie

Magnes nie jest cięty z większego bloku. To pierwsze nieporozumienie, które warto rozbroić. Skoro kierunek namagnesowania ustala się w prasie, dla całej wypraski naraz, to każdy wymiar wymaga własnej formy i własnego cyklu produkcyjnego. Nie da się kupić dużej płyty i wyciąć z niej dziesięciu mniejszych magnesów o zachowanych parametrach. Cięcie odsłania spiek, niszczy powłokę i — jeśli tnie się prostopadle do osi — daje wyrób o zupełnie innej charakterystyce niż zamierzona. Stąd wynika też to, że nietypowy wymiar jest droższy nie dlatego, że materiału jest więcej, tylko dlatego, że trzeba pod niego uruchomić osobną serię.

Uszkodzona powłoka to koniec magnesu, tylko rozłożony w czasie. Etap szósty pokazuje dlaczego: pod warstwą niklu siedzi spiek, który w kontakcie z wilgocią zaczyna korodować. Rdza podchodzi pod powłokę, podnosi ją od spodu i odsłania kolejny fragment. Zadrapanie wielkości milimetra po roku bywa rozwarstwieniem połowy krawędzi. W zamkniętej konstrukcji — na przykład w wirniku prądnicy — nikt tego nie zobaczy, dopóki moc nie zacznie spadać. Dlatego magnesów się nie szlifuje, nie wierci i nie pozwala im się zderzać ze sobą: powłoka pęka od uderzenia równie łatwo jak szkło.

Klasa bez atestu jest deklaracją, nie pomiarem. Oznaczenie N38, N42 czy N52 opisuje maksymalny iloczyn energii i wynika ze składu stopu oraz z jakości prowadzenia procesu — przede wszystkim z tego, jak drobne i jak czyste są ziarna po etapach drugim i czwartym. Producent, który skróci mielenie albo dołoży mniej dysprozu, dostanie materiał wyglądający identycznie i mierzący się identycznie sondą Halla przy niedokładnym pomiarze. Różnica wychodzi dopiero na pełnej krzywej odmagnesowania i w podwyższonej temperaturze. Dlatego „N52 bez atestu" bywa w praktyce materiałem klasy niższej — a użytkownik dowiaduje się o tym dopiero wtedy, gdy prądnica po godzinie pracy traci moc i już jej nie odzyskuje.

Praktyczny wniosek jest prosty: przy magnesie do konstrukcji, która ma pracować latami, kupuj wymiar katalogowy z podanym kierunkiem namagnesowania i deklarowaną temperaturą pracy, a nie najtańszy wyrób o najwyższej literze przy N. Pełny katalog wymiarów jest w sklepie dhit.pl, a najczęściej używane typy opisałem osobno: płytkowe, walcowe i pierścieniowe.