Neodym-Magnet - Neodymium magnet

Nickel -plated Neodym - Magnet an einer Halterung aus einem Festplattenlaufwerk
Vernickelte Neodym-Magnetwürfel
Links: hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie- Aufnahme von Nd 2 Fe 14 B; rechts: Kristallstruktur mit markierter Elementarzelle

Ein Neodym-Magnet (auch bekannt als NdFeB- , NIB- oder Neo- Magnet) ist die am weitesten verbreitete Art von Seltenerd-Magneten . Es ist ein Permanentmagnet aus einer Legierung aus Neodym , Eisen und Bor , um die tetragonale Nd 2 Fe 14 B- Kristallstruktur zu bilden. 1984 unabhängig voneinander von General Motors und Sumitomo Special Metals entwickelt , sind Neodym-Magnete die stärksten im Handel erhältlichen Permanentmagnete. Aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren werden sie in zwei Unterkategorien unterteilt, nämlich gesinterte NdFeB-Magnete und gebondete NdFeB-Magnete. Sie haben in vielen Anwendungen in modernen Produkten, die starke Permanentmagnete erfordern, andere Magnettypen ersetzt, wie zum Beispiel Elektromotoren in Akkuwerkzeugen, Festplatten und Magnetverschlüssen.

Geschichte

General Motors (GM) und Sumitomo Special Metals entdeckten 1984 unabhängig voneinander fast gleichzeitig die Verbindung Nd 2 Fe 14 B. Die Forschung wurde zunächst durch die hohen Rohstoffkosten der zuvor entwickelten SmCo- Permanentmagnete vorangetrieben . GM konzentrierte sich auf die Entwicklung von schmelzgesponnenen nanokristallinen Nd 2 Fe 14 B-Magneten, während Sumitomo gesinterte Nd 2 Fe 14 B-Magnete mit voller Dichte entwickelte . GM vermarktete seine Erfindungen von isotropem Neo-Pulver, gebundenen Neo- Magneten und den dazugehörigen Produktionsverfahren durch die Gründung von Magnequench im Jahr 1986 (Magnequench ist seitdem Teil von Neo Materials Technology, Inc., die später zu Molycorp fusionierten ). Das Unternehmen lieferte schmelzgesponnenes Nd 2 Fe 14 B-Pulver an Hersteller von Verbundmagneten. Die Anlage in Sumitomo wurde Teil der Hitachi Corporation und hat andere Unternehmen hergestellt, aber auch lizenziert, gesinterte Nd 2 Fe 14 B-Magnete herzustellen . Hitachi hält mehr als 600 Patente für Neodym-Magnete.

Chinesische Hersteller sind aufgrund ihrer Kontrolle über einen Großteil der Seltenerdminen der Welt zu einer dominierenden Kraft in der Produktion von Neodym-Magneten geworden.

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat die Notwendigkeit erkannt, Ersatzstoffe für Seltenerdmetalle in der Permanentmagnettechnologie zu finden, und hat diese Forschung finanziert. Die Advanced Research Projects Agency-Energy hat ein REACT-Programm (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) gesponsert, um alternative Materialien zu entwickeln. Im Jahr 2011 vergab ARPA-E 31,6 Millionen Dollar zur Finanzierung von Rare-Earth-Ersatzprojekten. Aufgrund seiner Rolle in Permanentmagneten für Windkraftanlagen wurde argumentiert, dass Neodym eines der Hauptobjekte des geopolitischen Wettbewerbs in einer Welt sein wird, die auf erneuerbare Energien setzt . Diese Perspektive wurde jedoch kritisiert, weil sie nicht erkennt, dass die meisten Windkraftanlagen keine Permanentmagnete verwenden, und die Macht der wirtschaftlichen Anreize für eine Ausweitung der Produktion unterschätzt.

Komposition

Neodym ist ein Metall, das nur unter 19 K (−254,2 °C; −425,5 °F) magnetisch geordnet ist, wo es komplexe antiferromagnetische Ordnungen entwickelt. Verbindungen von Neodym mit Übergangsmetallen wie Eisen können jedoch bei Curie-Temperaturen deutlich über Raumtemperatur ferromagnetisch ordnen , und diese werden zur Herstellung von Neodym-Magneten verwendet.

Die Stärke von Neodym-Magneten ist das Ergebnis mehrerer Faktoren. Der wichtigste ist, dass die tetragonale Nd 2 Fe 14 B-Kristallstruktur eine außergewöhnlich hohe uniaxiale magnetokristalline Anisotropie aufweist ( H A ≈ 7 T – magnetische Feldstärke H in Einheiten von A/m gegen magnetisches Moment in A·m 2 ). Dies bedeutet, dass ein Kristall des Materials vorzugsweise entlang einer bestimmten Kristallachse magnetisiert wird, jedoch in anderen Richtungen sehr schwer zu magnetisieren ist. Wie andere Magnete besteht die Neodym-Magnetlegierung aus mikrokristallinen Körnern, die bei der Herstellung in einem starken Magnetfeld ausgerichtet werden, sodass ihre magnetischen Achsen alle in die gleiche Richtung zeigen. Der Widerstand des Kristallgitters gegenüber einer Drehung seiner Magnetisierungsrichtung verleiht der Verbindung eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke oder Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung.  

Das Neodymatom kann ein großes magnetisches Dipolmoment haben, da es 4 ungepaarte Elektronen in seiner Elektronenstruktur hat, im Gegensatz zu (durchschnittlich) 3 in Eisen. In einem Magneten sind es die ungepaarten Elektronen, die so ausgerichtet sind, dass ihr Spin in die gleiche Richtung weist, die das Magnetfeld erzeugen. Dies verleiht der Nd 2 Fe 14 B-Verbindung eine hohe Sättigungsmagnetisierung ( J s ≈ 1,6 T oder 16 kG ) und eine Restmagnetisierung von typischerweise 1,3 Tesla. Da die maximale Energiedichte proportional zu J s 2 ist , hat diese magnetische Phase daher das Potenzial, große Mengen magnetischer Energie zu speichern ( BH max  512 kJ/m 3 oder 64 MG·Oe ). Dieser magnetische Energiewert ist etwa 18-mal größer als bei "normalen" Ferrit-Magneten nach Volumen und 12-mal nach Masse. Diese magnetische Energieeigenschaft ist bei NdFeB-Legierungen höher als bei Samarium-Kobalt- (SmCo)-Magneten, die der erste Typ von Seltenerdmagneten waren, der kommerzialisiert wurde. In der Praxis hängen die magnetischen Eigenschaften von Neodym-Magneten von der Legierungszusammensetzung, der Mikrostruktur und der verwendeten Herstellungstechnik ab.     

Die Kristallstruktur von Nd 2 Fe 14 B kann als abwechselnde Schichten von Eisenatomen und einer Neodym-Bor-Verbindung beschrieben werden. Die diamagnetischen Boratome tragen nicht direkt zum Magnetismus bei, sondern verbessern den Zusammenhalt durch starke kovalente Bindung. Der relativ geringe Anteil an Seltenen Erden (12 Vol.-%, 26,7 Massenprozent) und die relative Häufigkeit von Neodym und Eisen im Vergleich zu Samarium und Kobalt machen Neodym-Magnete günstiger als Samarium-Kobalt-Magnete .

Eigenschaften

Neodym-Magnete (kleine Zylinder) zum Heben von Stahlkugeln. Solche Magnete können leicht das Tausendfache ihres Eigengewichts heben.
Ferrofluid auf einer Glasplatte zeigt das starke Magnetfeld des darunter liegenden Neodym-Magneten.

Noten

Neodym-Magnete werden nach ihrem maximalen Energieprodukt gestuft , das sich auf die magnetische Flussleistung pro Volumeneinheit bezieht . Höhere Werte weisen auf stärkere Magnete hin. Für gesinterte NdFeB-Magnete gibt es eine weithin anerkannte internationale Klassifikation. Ihre Werte reichen von 28 bis 52. Der erste Buchstabe N vor den Werten steht für Neodym, also gesinterte NdFeB-Magnete. Buchstaben nach den Werten geben die intrinsische Koerzitivfeldstärke und die maximalen Betriebstemperaturen (positiv korreliert mit der Curie-Temperatur ) an, die von Standard (bis zu 80 °C oder 176 °F) bis AH (230 °C oder 446 °F) reichen.

Sorten gesinterter NdFeB-Magnete:

  • N30 – N52
  • N30M – N50M
  • N30H – N50H
  • N30SH – N48SH
  • N30UH – N42UH
  • N28EH – N40EH
  • N28AH – N35AH

Magnetische Eigenschaften

Einige wichtige Eigenschaften zum Vergleich von Permanentmagneten sind:

Neodym-Magnete haben eine höhere Remanenz, eine viel höhere Koerzitivfeldstärke und ein viel höheres Energieprodukt, aber oft eine niedrigere Curie-Temperatur als andere Magnettypen. Es wurden spezielle Neodym-Magnetlegierungen entwickelt, die Terbium und Dysprosium enthalten , die eine höhere Curie-Temperatur aufweisen, wodurch sie höhere Temperaturen tolerieren können. Die folgende Tabelle vergleicht die magnetische Leistung von Neodym-Magneten mit anderen Arten von Permanentmagneten.

Magnet B r
(T)
H ci
(kA / m)
BH max
(kJ/m 3 )
T C
(°C) (°F)
Nd 2 Fe 14 B, gesintert 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400 590–752
Nd 2 Fe 14 B, gebunden 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo 5 , gesintert 0,8–1,1 600–2000 120–200 720 1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr) 7 , gesintert 0,9–1,15 450–1300 150–240 800 1472
Alnico, gesintert 0,6–1,4 275 10–88 700–860 1292-1580
Sr-Ferrit, gesintert 0,2–0,78 100–300 10–40 450 842

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Mikrophotographie von NdFeB. Die gezackten Kantenbereiche sind die Metallkristalle und die Streifen darin sind die magnetischen Domänen .
Vergleich der physikalischen Eigenschaften von gesinterten Neodym- und Sm-Co- Magneten
Eigentum Neodym Sm-Co
Remanenz ( T ) 1–1,5 0,8–1,16
Koerzitivfeldstärke (MA/m) 0,875–2,79 0,493–2,79
Rückstoßdurchlässigkeit 1,05 1,05–1,1
Temperaturkoeffizient der Remanenz (%/K) −(0,12–0,09) −(0,05–0,03)
Temperaturkoeffizient der Koerzitivfeldstärke (%/K) −(0,65–0,40) −(0,30–0,15)
Curie-Temperatur (°C) 310–370 700–850
Dichte (g/cm 3 ) 7,3–7,7 8,2–8,5
Wärmeausdehnungskoeffizient , parallel zur Magnetisierung (1/K) (3–4)×10 -6 (5–9)×10 -6
Wärmeausdehnungskoeffizient , senkrecht zur Magnetisierung (1/K) (1–3)×10 -6 (10–13)×10 -6
Biegefestigkeit (N/mm 2 ) 200–400 150–180
Druckfestigkeit (N/mm 2 ) 1000–1100 800–1000
Zugfestigkeit (N/mm 2 ) 80–90 35–40
Vickers-Härte (HV) 500–650 400–650
Elektrischer Widerstand (Ω·cm) (110–170)×10 -6 (50–90)×10 -6

Korrosionsprobleme

Diese Neodym-Magnete korrodierten nach fünfmonatiger Witterungsbelastung stark.

Gesintertes Nd 2 Fe 14 B neigt dazu, korrosionsanfällig zu sein , insbesondere entlang der Korngrenzen eines gesinterten Magneten. Diese Art von Korrosion kann eine ernsthafte Verschlechterung verursachen, einschließlich des Zerbröckelns eines Magneten zu einem Pulver kleiner magnetischer Partikel oder des Abplatzens einer Oberflächenschicht.

Diese Anfälligkeit wird in vielen kommerziellen Produkten durch Hinzufügen einer Schutzbeschichtung behoben, um eine Exposition gegenüber der Atmosphäre zu verhindern. Vernickeln oder zweilagige Kupfer-Nickel-Beschichtung sind die Standardverfahren, aber auch Beschichtungen mit anderen Metallen oder Polymer- und Lackschutzschichten kommen zum Einsatz.

Temperatureffekte

Neodym hat einen negativen Koeffizienten, was bedeutet, dass die Koerzitivfeldstärke zusammen mit der magnetischen Energiedichte ( BH max ) mit der Temperatur abnimmt. Neodym-Eisen-Bor-Magnete haben bei Raumtemperatur eine hohe Koerzitivfeldstärke, aber wenn die Temperatur über 100 °C (212 °F) steigt, nimmt die Koerzitivfeldstärke drastisch bis zur Curie-Temperatur (etwa 320 °C oder 608 °F) ab. Dieser Abfall der Koerzitivfeldstärke begrenzt die Effizienz des Magneten unter Hochtemperaturbedingungen wie in Windkraftanlagen, Hybridmotoren usw. Dysprosium (Dy) oder Terbium (Tb) werden hinzugefügt, um den Leistungsabfall durch Temperaturänderungen einzudämmen, wodurch der Magnet noch teurer.

Gefahren

Die größeren Kräfte, die von Seltenerdmagneten ausgeübt werden, erzeugen Gefahren, die bei anderen Magnettypen möglicherweise nicht auftreten. Neodym-Magnete, die größer als einige Kubikzentimeter sind, sind stark genug, um zwischen zwei Magneten eingeklemmte Körperteile oder einen Magneten und eine eisenhaltige Metalloberfläche zu verletzen und sogar Knochenbrüche zu verursachen.

Magnete, die sich zu nahe kommen, können mit ausreichender Kraft aufeinander treffen, um die spröden Magnete abzusplittern und zu zerbrechen, und die herumfliegenden Späne können verschiedene Verletzungen verursachen, insbesondere Augenverletzungen . Es gab sogar Fälle, in denen bei kleinen Kindern, die mehrere Magnete verschluckt hatten, Abschnitte des Verdauungstrakts zwischen zwei Magneten eingeklemmt wurden, was zu Verletzungen oder zum Tod führte. Dies kann auch ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko darstellen, wenn Sie mit Maschinen arbeiten, die Magnete enthalten oder daran befestigt sind. Die stärkeren Magnetfelder können für mechanische und elektronische Geräte gefährlich sein, da sie magnetische Datenträger wie Disketten und Kreditkarten löschen und Uhren magnetisieren können und die Lochmasken von Monitoren vom CRT- Typ haben einen größeren Abstand als andere Magnettypen. In einigen Fällen können abgesplitterte Magnete beim Zusammentreffen eine Brandgefahr darstellen und Funken fliegen lassen, als ob sie ein leichterer Feuerstein wären , da einige Neodym-Magnete Ferrocer enthalten .

Produktion

Es gibt zwei Hauptverfahren zur Herstellung von Neodym-Magneten:

  • Klassische Pulvermetallurgie oder Sintermagnet Prozess
    • Gesinterte Nd-Magnete werden hergestellt, indem die Rohmaterialien in einem Ofen geschmolzen, in eine Form gegossen und zu Barren abgekühlt werden. Die Barren werden pulverisiert und gemahlen; das Pulver wird dann zu dichten Blöcken gesintert. Anschließend werden die Blöcke wärmebehandelt, in Form geschnitten, oberflächenbehandelt und magnetisiert.
  • Schnellerstarrungs- oder Bonded-Magnet-Prozess
    • Verbundene Nd-Magnete werden durch Schmelzspinnen eines dünnen Bandes der NdFeB-Legierung hergestellt. Das Band enthält zufällig orientierte Nd 2 Fe 14 B-Körner im Nanomaßstab. Dieses Band wird dann zu Partikeln pulverisiert, mit einem Polymer vermischt und entweder kompressions- oder spritzgegossen zu Verbundmagneten .

Im Jahr 2015 gab die japanische Nitto Denko Corporation die Entwicklung eines neuen Verfahrens zum Sintern von Neodym-Magnetmaterial bekannt. Das Verfahren nutzt eine "organische/anorganische Hybridtechnologie", um eine tonartige Mischung zu bilden, die zum Sintern in verschiedene Formen gebracht werden kann. Am wichtigsten ist, dass es möglich ist, eine ungleichmäßige Ausrichtung des Magnetfelds in dem gesinterten Material zu steuern, um das Feld lokal zu konzentrieren, um beispielsweise die Leistung von Elektromotoren zu verbessern. Die Massenproduktion ist für 2017 geplant.

Ab 2012 werden offiziell jedes Jahr 50.000 Tonnen Neodym-Magnete in China hergestellt, und 80.000 Tonnen in einem "Unternehmen für Unternehmen"-Aufbau im Jahr 2013. China produziert mehr als 95% der Seltenen Erden und produziert etwa 76 % der gesamten Seltenerdmagnete der Welt sowie der größte Teil des Neodyms der Welt.   

Anwendungen

Bestehende Magnetanwendungen

Ringmagnete
Die meisten Festplattenlaufwerke enthalten starke Magnete
Diese manuell betriebene Taschenlampe verwendet einen Neodym-Magneten, um Strom zu erzeugen

Neodym-Magnete haben Alnico- und Ferrit-Magnete in vielen der unzähligen Anwendungen in der modernen Technologie ersetzt, bei denen starke Permanentmagnete erforderlich sind, da ihre größere Stärke die Verwendung kleinerer, leichterer Magnete für eine bestimmte Anwendung ermöglicht. Einige Beispiele sind:

  • Elektrische Generatoren für Windkraftanlagen (nur solche mit Permanentmagneterregung)
  • Schwingspule
  • Entkoppler für Einzelhandelsmedien
  • In der Prozessindustrie werden leistungsstarke Neodym-Magnete verwendet, um Fremdkörper abzufangen und Produkt und Prozesse zu schützen

Neue Anwendungen

In Würfelform zusammengesetzte Neodym-Magnetkugeln

Die höhere Festigkeit von Neodym - Magneten hat in den Bereichen neue Anwendungen inspiriert , wo Magnete nicht zuvor verwendet wurden, wie magnetische Schmuckspangen, Kinder magnetische Baukästen (und andere Neocube ) und als Teil des Schließmechanismus der modernen Sportfallschirmausrüstung. Sie sind das Hauptmetall in den ehemals beliebten Schreibtisch-Spielzeug-Magneten "Buckyballs" und "Buckycubes", obwohl einige US-Händler sich entschieden haben, sie aus Gründen der Kindersicherheit nicht zu verkaufen, und sie wurden aus dem gleichen Grund in Kanada verboten .

Die Stärke und Magnetfeldhomogenität von Neodym-Magneten hat auch im medizinischen Bereich mit der Einführung von offenen Magnetresonanztomographen (MRT) zur Abbildung des Körpers als Alternative zu supraleitenden Magneten, die eine supraleitende Spule verwenden, neue Anwendungen eröffnet Draht, um das Magnetfeld zu erzeugen.

Neodym-Magnete werden als chirurgisch platziertes Anti-Reflux-System verwendet, bei dem es sich um ein Magnetband handelt, das chirurgisch um den unteren Ösophagussphinkter implantiert wird, um die gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD) zu behandeln . Sie wurden auch in den Fingerspitzen implantiert zu schaffen , um sensorische Wahrnehmung von Magnetfeldern, obwohl dies ein experimentelles Verfahren nur beliebt bei biohackers und Schleifmaschinen .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links