Magnesy Neodymowe

Magnes neodymowy jest najsilniejszym magnesem stałym jaki udało się wytworzyć człowiekowi. Dzięki zastosowaniu stopu żelaza, neodymu i boru uzyskano tetragonalna strukturę krystaliczną związku Nd₂Fe₁₄B cechującego się wyjątkowo wysoką anizotropią magnetokrystaliczną. Właśnie dlatego ten związek ma niespotykane wcześniej własności magnetyczne. Najczęściej można spotkać magnesy neodymowe produkowane jako spiek, ale wytwarza się również ten rodzaj magnesów jako tzw. magnesy wiązane używając jako spoiwa tworzywa sztuczne lub żywice

N38 jest symbolem materiału magnetycznego, z którego wykonuje się magnesy neodymowe, dlatego na początku nazwy znajduje się litera N. Własności tego materiału można opisać za pomocą II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej podając, w (oficjalnym, międzynarodowym) układzie jednostek SI, związane z nią wartości indukcji remanencji B_r (1,21-1,25 Tesli), koercji H_cB (min. 899kA/m), koercji H_cJ (min. 955 kA/m) oraz gęstości energii magnetycznej (BH)_max (287-310 kJ/m³). Wszystkie te wartości można również podać w układzie jednostek CGS i właśnie w tym drugim układzie wartość wspomnianej na końcu energii magnetycznej (BH)_max wyniesie dla tego materiału 36-38 MGsOe, czyli maksymalnie 38 MGsOe (38 mega-gaussów-ersztedów). Oznaczenie materiału magnetycznego jest więc związane z wartością tylko jednego parametru.

Magnes neodymowy wynalazł japoński naukowiec Masato Sagawa. Pierwsze prace związane z magnetycznymi własnościami pierwiastków ziem rzadkich prowadził w Fujitsu Laboratories przez około 10 lat. Później dołączył do Sumimoto Special Metals i uważa się, że właśnie tam, na początku lat 80-tych ostatecznie opracował technologię i stworzył współczesny spiekany magnes neodymowy oparty na związku Nd₂Fe₁₄B. Od tamtego czasu obserwuje się bardzo szybki rozwój w tej dziedzinie.

Magnesy neodymowe są spiekiem żelaza, boru, neodymu i innych dodatków. Proces ich wytwarzania rozpoczyna się od dobraniu wszystkich elementów stopu w odpowiednich ilościach, które zostają stopione a następnie odlane. Powstałe arkusze kruszone są metodą wodorową a następnie mielone do postaci proszku. Powstała w ten sposób mieszanina zostaje poddana procesowi zagęszczenia. Prasuje się je metodą pseudo-izostatyczną pod dużym ciśnieniem aby uzyskać dużą gęstość i jednorodność. Odbywa się to w obecności pola magnetycznego wyznaczającego kierunek magnesowania jeżeli maja zostać wytworzone magnesy anizotropowe lub bez obecności tego pola jeżeli potrzebne są magnesy izotropowe. Następnie kształtki są spiekane a po tym zabiegu poddane obróbce mechaniczne i powierzchniowej (pokrycie warstwami ochronnymi). Na koniec produkt trafia do magneśnicy gdzie zostaje namagnesowany i finalnie staje się magnesem.

Magnesy neodymowe nazywane również magnesami NdFeB są najsilniejszymi magnesami stałymi na świecie. Posiadają, oprócz wysokiej indukcji remanencji B_r, także najwyższą gęstość energii magnetycznej (BH)_max spośród wszystkich innych magnesów stałych. Obecnie (BH)_max wynosi nawet do 52 MGsOe (mega-gaussów-oersztedów) w najnowszych materiałach magnetycznych. Według wyliczeń naukowców można w teorii osiągnąć gęstość energii magnetycznej nawet 60 MGsOe tworząc materiał magnetyczny z wykorzystaniem neodymu, ale jest to wartość tylko teoretyczna i w praktyce dziś nieosiągalna.

Magnesy ziem rzadkich są to magnesy zawierające w swoim składzie przynajmniej w jakiejś części metale nazywane pierwiastkami ziem rzadkich. Do tych pierwiastków zaliczamy: skand, itr, lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet. Najbardziej znane z tych pierwiastków dla każdego użytkownika magnesów to oczywiście neodym wykorzystywany do produkcji magnesów NdFeB, oraz samar wykorzystywany do produkcji magnesów SmCo. Pierwiastki ziem rzadkich wcale nie występują w małych ilościach w skorupie ziemskiej. Tak naprawdę występują dosyć obficie, ale w związku z tym, że ich złoża zazwyczaj są rozproszone i skąpe, nie nadające się do opłacalnego wydobycia więc nazwano je „pierwiastkami ziem rzadkich”.

Oczywiście najsilniejszy będzie magnes wykonany z materiału o najwyższych własnościach magnetycznych (np. N52) i jednocześnie największy, ale te materiały o najwyższych własnościach magnetycznych są dużo droższe od standardowych. Wyższy magnes będzie działał na większą odległość, linie sił pola magnetycznego będą wychodzić z płaszczyzny bieguna strzeliście do góry i jest szansa na przyciągnięcie elementu z żelaza lub innego magnesu z dalszej odległości. Natomiast płaski magnes w praktyce będzie miał większy udźwig, będzie w stanie przytrzymać i podnieść elementy o większej powierzchni i gabarytach.

Producenci magnesów neodymowych używają w nazwie materiału magnetycznego konkretne litery np. M, H, SH, UH, EH za różnymi, zawsze dwucyfrowymi liczbami np.: 35, 38, 42, 45…. Liczba w oznaczeniu materiału określa gęstość energii magnetycznej (BH)max danego materiału magnetycznego i wynosi w układzie jednostek CGS odpowiednio 35, 38, 42, 45… MGsOe (mega-gaussów-oersztedów). Litery w oznaczeniach materiałów magnetycznych odnoszą się do wielkości koercji (im wyższa koercja tym większa odporność magnesu na rozmagnesowanie magnesu w wyniku wysokiej temperatury lub w wyniku przyłożenia przeciwnego pola magnetycznego), i te oznaczenia literowe można rozwinąć i wyjaśnić następująco: M - "medium", H - "high", SH - "super high", UH - "ultra high", EH - "extra high". Czyli przykładowo materiał N38SH będzie posiadał literę N na początku nazwy materiału pochodzącą od pierwiastka neodymu, liczbę 38 określającą gęstość energii magnetycznej 38 MGsOe i litery SH od "super high" czyli z j. angielskiego "bardzo wysoki", chodzi o bardzo wysoką wartość koercji.

Magnesy neodymowe zazwyczaj są dostępne w bardzo nieskomplikowanych kształtach takich jak: walec, prostopadłościan i pierścień. Potocznie mówimy wtedy o magnesach walcowych, płytkowych i pierścieniowych ale trzeba też dodać, że magnesy zarówno płytkowe jak i pierścieniowe mogą być wykonywane ze specjalnie fazowanymi otworami ułatwiającymi schowanie, zlicowanie z powierzchnią magnesu łba śruby lub wkrętu. Istnieje także możliwość wykonania magnesów neodymowych w kształcie kuli oraz tzw. magnesów segmentowych (łukowych) będących wycinkami pierścienia. Można również zamówić magnesy w kształcie np. trapezu lub innych figur geometrycznych, pod warunkiem, że da się taki kształt wyciąć za pomocą elektrodrążarki i nie pokruszyć przy tej operacji kształtki magnesu. Kruchość magnesów neodymowych jest cechą ograniczającą wykonywanie skomplikowanych kształtów, przykładowo, nie da się wykonać gwintu bezpośrednio w samym magnesie neodymowym (gwinty wykonuje się w stalowej obudowie magnesu i taki obudowany magnes nazywamy uchwytem magnetycznym).

Magnesy neodymowe wytwarzane ze związku Nd₂Fe₁₄B to spiek żelaza, boru i neodymu. W rzeczywistości w skład magnesów neodymowych wchodzi tylko około 30% neodymu. Dzięki swojej budowie atomowej magnesy te są tak silne.

Do namagnesowania magnesów neodymowych stosuje się tzw. magneśnice czyli urządzenia, w których możliwe jest wytworzenie odpowiednio dużego stałego pola elektromagnetycznego. Po zwiększeniu pola (natężenie prądu) do punktu zwanego punktem nasycenia, dalsze jego zwiększanie nie ma sensu gdyż nie zwiększa to indukcji magnetycznej magnesu. Następnie wartość zewnętrznego pola jest zmniejszana do zera. Właściwości magnesów neodymowych, wykonanych z materiałów magnetycznie twardych sprawiają, że po wyłączeniu pola wartość namagnesowania nie spada do zera tylko ustala się w punkcie Br czyli indukcji remanencji zwanej także punktem pozostałości magnetycznej (namagnesowaniem resztkowym). Proces magnesowania najlepiej opisuje pierwsza ćwiartka pętli histerezy magnetycznej.

Tak, istnieje kilka sposobów na rozmagnesowanie magnesów neodymowych. Najprostszym z nich jest ogrzanie magnesu najpierw powyżej zdefiniowanej dla materiału magnetycznego maksymalnej temperatury pracy, co spowoduje częściowe odmagnesowanie, a później rozgrzanie powyżej temperatury Curie, czyli takiej powyżej której ferromagnetyk staje się paramagnetykiem, będzie to skutkowało całkowitym rozmagnesowaniem. Innymi sposobami na rozmagnesowanie magnesów neodymowych są: działanie odpowiednio dużym stałym i przeciwnym polem magnetycznym lub poddanie magnesu zanikającym i przemiennym polem magnetycznym.

Magnes neodymowy jest powszechnie wykorzystywany w wielu urządzeniach elektrycznych: licznikach i miernikach, instalacjach alarmowych, dzwonkach i zamkach elektrycznych, głośnikach, monitorach, telewizorach, silnikach, dronach, elektrowniach wiatrowych. Do głównych gałęzi w których wykorzystuje się magnesy neodymowe zaliczamy: przemysł samochodowy, meblowy, spożywczy, energetyczny, tekstylny, zabawkarski czy medyczny.

Najważniejszym kryterium w doborze magnesu neodymowego będzie jego zastosowanie. Należy wziąć pod uwagę temperaturę pracy, warunki atmosferyczne i wreszcie siłę z jaką ma działać magnes. Siła działania magnesów neodymowych często podawana jest jako udźwig w kilogramach. Należy wziąć pod uwagę, iż jest to wartość mierzona w laboratoriach, w idealnych warunkach, przy idealnym kontakcie magnesu z podłożem ferromagnetycznym i co istotne kierunek działania tej siły jest prostopadły do powierzchni kontaktu magnesu z podłożem. W razie wątpliwości proszę kontaktować się z doradcami firmy Enes.

Magnes neodymowy przyciąga silnie przede wszystkim żelazo i wszelkie stopy z jego domieszką oraz metale: gadolin, nikiel, erb, kobalt i dysproz. To, czy dany element zostanie łatwiej czy też trudniej przyciągnięty przez magnes zależy też od kształtu tego elementu. W długim elemencie np. w żelaznym gwoździu, kiedy to zostanie on nasycony polem magnetycznym z magnesu stałego, szybko ustalą się miejsca biegunów magnetycznych, t.j. na jednym końcu gwoździa będzie „N” a na drugim „S”. Jeżeli ten sam gwóźdź przetopimy i uformujemy z niego kulę to okaże się, zwłaszcza jeżeli kula będzie w ruchu, że będzie ją trudniej wychwycić za pomocą pola magnetycznego.

Magnes neodymowy nie przyciąga czystego złota. Nie potrafimy również zauważyć przyciągania magnesu z takimi metalami jak aluminium i miedź choć trzeba zauważyć, że te dwa metale będą odpychać się od silnego zmiennego pola magnetycznego w związku z występowaniem zjawiska tzw. prądów wirowych. Oczywiście magnes nie przyciąga np. tworzyw sztucznych, szkła, drewna.

Magnes neodymowy nie przyciąga srebra ani żadnych innych metali szlachetnych (nieżelaznych ciężkich).

Ogólnie trzeba przyjąć zasadę że magnes neodymowy przyciąga ferromagnetyki. Większość monet na świecie nie jest wykonanych z takich materiałów więc nie są przyciągane przez magnes. Polskie monety nie są przyciągane przez magnes z wyjątkiem 1,2,5-cio groszówek produkowanych po 2015 roku z mosiądzu manganowego.

Tak, magnes neodymowy będzie rdzewiał jeżeli będzie stosowany w wilgotnym środowisku, ponieważ jego typowe zabezpieczenia antykorozyjne czyli nikiel lub cynk są zbyt słabe a metal neodym bardzo łatwo się utlenia. Żeby magnes neodymowy nie ulegał procesowi utleniania trzeba go dodatkowo zabezpieczyć np. powlekając go grubą warstwą epoksydową lub obudowując go w stal kwasoodporną, jednak każda dodatkowa warstwa zabezpieczająca zmniejsza indukcję magnetyczną na powierzchni magnesu, dlatego takie zabiegi są rzadko stosowane. Nie zabezpieczony magnes neodymowy, stale zanurzony w wodzie, zostanie po jakimś czasie całkowicie zniszczony.

Podczas transportu magnesu neodymowego należy zwrócić uwagę na zabezpieczenie kruchego ze swej natury magnesu przed uszkodzeniami mechanicznymi. W tym celu najlepiej obłożyć magnes z każdej strony np. grubym styropianem. Trzeba tez pamiętać o tym, że magnes podczas transportu może się gdzieś po prostu przyczepić. Aby temu zapobiec należy właśnie pamiętać o zachowaniu odpowiedniego dystansu i do tego może służyć wspomniany wyżej gruby styropian. Jeżeli pole magnesu jest wyjątkowo silne, to można dodatkowo pomyśleć o obłożeniu styropianu z zewnątrz żelazną blachą (i znowu styropianem), wtedy część pola magnetycznego wniknie w blachę i będzie to swego rodzaju "ekranowanie" znacząco zmniejszające natężenie pola magnetycznego wokół pudełka z magnesem.

W polskim prawie posiadanie magnesów neodymowych jest jak najbardziej dozwolone i legalne. Także wykorzystywanie magnesów neodymowych, a raczej uchwytów magnetycznych do poszukiwania „skarbów” z akwenów wodnych jest legalne, chyba że inaczej stanowi prawo obowiązujące na tymże akwenie, np. jest to obszar ochrony przyrodniczej czy park przyrody. Należy wiedzieć że czym innym jest posiadanie samego magnesu neodymowego, a czym innym wykorzystanie go, czasem do rzeczy nie zawsze legalnych.

Pole magnetyczne magnesu neodymowego nie jest zależne od upływu czasu. Gdybyśmy magnes neodymowy umieścili w idealnych dla niego warunkach, tzn. bez dostępu do tlenu, to pewnie mógłby funkcjonować bez końca. W składzie magnesu neodymowego znajdziemy oprócz neodymu również żelazo. Jeden i drugi pierwiastek łatwo się utlenia a neodym nawet bardzo łatwo więc każdy magnes neodymowy użytkowany nawet nie w wilgotnym środowisku, nawet nie bezpośrednio w wodzie, tylko w zwyczajnych suchych warunkach prędzej czy później zacznie po prostu rdzewieć i zostanie z niego przysłowiowa kupka rdzy. Pytanie tylko czy stanie się to za 100 lat, a może za 200? Tego nikt nie wie, choć w internecie można spotkać różne teorie. Wszystko zależy więc od warunków w jakich magnes neodymowy będzie użytkowany. Oczywiście magnes można rozmagnesować, zazwyczaj dzieje się to pod wpływem wysokiej temperatury, ale nie tylko. Więcej informacji o tym zjawisku podajemy na naszym blogu.

Magnesy neodymowe, szczególnie duże, są źródłem silnego pola magnetycznego, dlatego przechowując je należy trzymać magnesy w odpowiedniej odległości od wszelkiego rodzaju nośników pamięci, oraz na wszelki wypadek najlepiej z daleka od wszelkich urządzeń elektronicznych m.in. urządzeń pomiarowych. Magnesy neodymowe najczęściej pokryte są warstwą niklu, jednak są materiałami mało odpornymi na korozję, dlatego należy przechowywać je w miejscu suchym. Warto magnes neodymowy zamknąć w pudełku ponieważ oprócz zwykłego kurzu może on zbierać jakieś inne drobinki, które będą miały własności magnetyczne.

Pole magnetyczne magnesów neodymowych samo w sobie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia człowieka. Jak dotąd nikt nie udowodnił, że jest przeciwnie. Wyjątek stanowią ludzie posiadający rozrusznik serca, takie osoby nie powinny mieć kontaktu z silnymi magnesami. Innym zagrożeniem związanym z magnesami neodymowymi jest potencjalna możliwość wystąpienia uczulenia na nikiel, gdyż powłoką z niklu najczęściej pokrywane są magnesy neodymowe. Najważniejszą zasadą, o której ludzie często zapominają jest fakt, że duże magnesy oddziaływają ze sobą i materiałami ferromagnetycznymi z dużą siłą. Nieumiejętne obchodzenie się z nimi może doprowadzić do uszkodzeń ciała np. poprzez ściśnięcie palca lub dłoni. Trzeba także pamiętać o tym, że magnesy są kruche i ich odłamki mogą poranić człowieka.

Powszechnie uważa się, że silne magnesy mogą zakłócić pracę rozruszników serca. Konkretną odpowiedź na to pytanie powinien udzielić producent danego rozrusznika.

Trudno jednoznacznie odpowiedzieć. Z tego co wiadomo to w magnetoterapii stosuje się m.in. wolno zmienne, słabe pola elektromagnetyczne. W takich kwestiach trzeba polegać na oficjalnych, zrecenzowanych naukowych publikacjach i opinii lekarzy specjalistów.

Podstawową różnicą pomiędzy tymi magnesami jest siła z jaką oddziaływają z innymi ferromagnetykami. Najważniejszą zaletą magnesów neodymowych jest posiadanie dużo wyższych wszystkich parametrów magnetycznych. Z kolei magnesy ferrytowe są odporne na korozję a neodymowe są bardzo podatne na nią. Magnesy neodymowe nie są szczególnie odporne na wysokie temperatury natomiast magnesy ferrytowe mogą pracować nawet w 250^oC. Różnią się także kolorem, magnesy ferrytowe są czarne a neodymowe zazwyczaj połyskują jasną powłoką niklową. Magnesy neodymowe są przewodnikami prądu ponieważ mają budowę metaliczną a ferrytowe mają bardzo wysoką oporność ponieważ są zbudowane z niemetalicznego ferrytu o heksagonalnej strukturze.

Ze względu na to, że magnesy neodymowe cechują się bardzo wysoką indukcja magnetyczną na swojej powierzchni a magnesy ferrytowe mają dosyć niską koercję (wartość koercji jest związana z odpornością na odmagnesowanie) nie należy zbliżać do siebie tych dwóch rodzajów magnesów „na odpychanie” ponieważ magnes ferrytowy zostanie częściowo rozmagnesowany. Oczywiście można połączyć ze sobą magnesy neodymowe i ferrytowe tak jak się naturalnie przyciągają i nie odbędzie się to ze szkodą dla żadnego magnesu.

Magnesy neodymowe są dużo droższe od magnesów ferrytowych ponieważ bardzo droga jest technologia związana z pozyskaniem i przetworzeniem surowców potrzebnych do ich produkcji. Neodym, będący jednym ze składników, występuje w przyrodzie jako kopalina razem z innymi pierwiastkami ziem rzadkich, a jest to razem aż 17 pierwiastków, które trzeba na początku wydobyć a później oddzielić od siebie, pozbywając się pierwiastków promieniotwórczych lub też uważać na to, żeby neodym w miarę możliwości znajdował się w atmosferze ochronnej np. azotu, ponieważ bardzo łatwo się utlenia. Cały proces jest bardzo skomplikowany i nie jest możliwy do przeprowadzenia na małą skalę.

Wydaje się, że jest bezpieczne stosowanie magnetycznych uchwytów do przytrzymania telefonu komórkowego, natomiast używane w tych zastosowaniach magnesy nie są najsilniejszymi jakie mogą być użyte, więc trudno powiedzieć co się stanie jeżeli zastosujemy naprawdę bardzo silne magnesy neodymowe.

Magnes neodymowy będący źródłem silnego pola magnetycznego może zniszczyć nośniki danych, na których zapis odbywał się z wykorzystaniem pola magnetycznego. Szczególnie trzeba uważać na starego typu dyskietki komputerowe, stare kasety magnetofonowe, kasety VHS do magnetowidów i nowsze wynalazki takie jak karty kredytowe z paskiem magnetycznym, magnetyczne karty identyfikacyjne, lub inne tego typu urządzenia. Magnes może także zniszczyć zegarki, wagi elektroniczne oraz inne precyzyjne urządzenia pomiarowe, w których znajdujący się jakiś żelazny element mechanizmu, nawet minimalnie namagnesowany przez zbliżony magnes neodymowy, może zaburzyć odczyt czy też wynik pomiaru.

Wartość B_r, inaczej indukcja remanencji lub też namagnesowanie szczątkowe jest to taka wartość indukcji magnetycznej, która pozostaje w materiale magnetycznym po namagnesowaniu. Indukcja remanencji jest często mylona z indukcją magnetyczną mierzoną na powierzchni magnesu. Różnice tych wartości wynikają ze sposobu pomiaru. Indukcja remanencji zawsze jest dużo wyższa od indukcji mierzonej na powierzchni magnesu. Wartość indukcji magnetycznej mierzonej na powierzchni magnesu zależy nie tylko od użytego materiału magnetycznego ale i od kształtu magnesu. Im wyższy magnes, tym wyższa indukcja magnetyczna na jego powierzchni.

Rozdzielenie magnesów neodymowych, szczególnie dużych jest czynnością niebezpieczną. Należy pamiętać że magnesy neodymowe należą do najsilniejszych na rynku i nieumiejętne ich rozdzielanie grozi nawet zmiażdżeniem palców ręki, a w najlepszym przypadku zniszczeniem magnesów. Dwa lub więcej magnesów złączonych ze sobą najlepiej odczepiać próbując zsuwać jeden po drugim działając siłą równoległą do powierzchni kontaktu magnesów. Gdy uda się zsunąć (oddzielić) magnes od innego należy od razu płynnym ruchem przenieść go na odpowiednią odległość od pozostałych.

Magnesy neodymowe bardzo szybko ulegają korozji zwłaszcza jeżeli będą stosowane w wilgotnym środowisku. W celu zmniejszenia szybkości utleniania stosuje się wiele rodzajów warstw ochronnych. Podstawowym zabezpieczeniem jest potrójna warstwa nikiel-miedź-nikiel. Istnieje możliwość powlekania magnesów neodymowych warstwami niklu, cynku, miedzi, chromu, srebra czy złota. Czasami stosuje się powłokę epoksydową lub fosforanowaną.

Magnesy neodymowe pod wpływem wysokiej temperatury ulegną rozmagnesowaniu i utracą swoje właściwości magnetyczne.