Seltenerdmagnet

Unter dem Namen Seltenerdmagneten (auch Seltene-Erden-Magnete) fasst man eine Gruppe von Permanentmagneten zusammen, die im Wesentlichen aus Eisenmetallen (Eisen, Cobalt, seltener Nickel) und Seltenerdmetallen (insbesondere Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium) bestehen. Auch Yttrium kann die Rolle eines Seltenerdmetalls einnehmen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie gleichzeitig eine hohe magnetische Remanenzflussdichte B_r und eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke H_c und damit eine hohe magnetische Energiedichte aufweisen.

Die Entwicklung erster Seltenerdmagneten erfolgte durch Karl J. Strnat und G. Hoffer am U.S. Air Force Materials Laboratory auf der Wright-Patterson Air Force Base mit den beiden Grundmaterialien Yttrium und Cobalt in der Form YCo₅.[1] Im Jahr 1966 wurde von Karl J. Strnat die Legierung Samarium-Cobalt SmCo₅ entwickelt.[2] Neodym-Eisen-Bor-Magnete wurden in den 1980er Jahren von Masato Sagawa entwickelt.

Intermetallische Verbindungen

Seltenerdmagnete aus Neodym-Eisen-Bor

Die wichtigsten intermetallischen Verbindungen sind das kostengünstige Neodym-Eisen-Bor (Nd₂Fe₁₄B) und Samarium-Cobalt (SmCo₅ und Sm₂Co₁₇). Daneben wird auch Samarium-Eisen-Stickstoff (Sm₂Fe₁₈N₃) kommerziell eingesetzt. In folgender Tabelle sind einige Werkstoffe von Seltenerdmagneten, und zwecks Vergleich auch anderen Magnetwerkstoffe, zusammengefasst:[3]

Material	Remanenzflussdichte B_r (T)	Koerzitivfeldstärke H_ci (kA/m)	Energiedichte (BH)_max (kJ/m³)	Curie-Temperatur T_c (°C)
Neodym-Eisen-Bor (anisotrop, gesintert) Nd₂Fe₁₄B	1,00–1,40	750–2000	200–440	310–400
Neodym-Eisen-Bor (isotrop, gewöhnlich kunststoffgebunden) Nd₂Fe₁₄B	0,60–0,80	600–1200	60–100	310–400
Samarium-Cobalt (anisotrop, gesintert) SmCo₅ (gesintert)	0,90–1,10	600–2000	120–200	720
Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇ (anisotrop, gesintert)	1,10–1,15	450–1300	150–240	800
Dazu im Vergleich die Magnete AlNiCo (Gruppe der Stahlmagneten) und Strontiumferrit aus der Gruppe der keramischen Magneten:
Alnico (anisotrop)	0,60–1,40	60–0275	10–088	700–860
Sr-Ferrite (anisotrop)	0,35–0,40	100–0300	10–040	450

Daneben ist eine Vielfalt permanentmagnetischer Legierungen ähnlicher Zusammensetzung wissenschaftlich untersucht worden, die aber schlechtere Eigenschaften aufweisen und deshalb technisch uninteressant geblieben sind.

Die Grundlegierungen werden zum Erzielen besonderer Eigenschaften und Gefüge variiert – etwa, indem in Nd₂Fe₁₄B Neodym teilweise durch Praseodym, Dysprosium, Terbium und Eisen teilweise durch Cobalt substituiert wird – oder indem das Gefüge durch fremde Atome wie Aluminium, Titan, Zirconium, Kupfer oder Mangan gestört wird. Schließlich braucht Nd₂Fe₁₄B zwischen den Kristallen eine Anreicherung an Seltenerden, um eine akzeptable Koerzitivfeldstärke zu erreichen.

Wirkungsweise

Die Seltenerden (Lanthanoide) sind an sich bereits ferromagnetisch, aber ihre Curie-Temperaturen liegen unterhalb der Raumtemperatur, so dass bei Vorliegen in elementarer Form ihr Magnetismus nur bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden kann. Die Atome der Elemente der Seltenerden haben hohe magnetische Momente. Dies ist eine Folge der unvollständigen Füllung der 4f-Schale, die aus bis zu sieben ungepaarten Elektronen mit ausgerichteten Spins besteht. Elektronen in solchen Orbitalen sind stark lokalisiert und behalten daher leicht ihre magnetischen Momente und die Funktion als paramagnetische Zentren. Magnetische Momente in anderen Orbitalen sind oft aufgrund der starken Überlappung mit den Nachbarn verloren, z. B. formen Elektronen in kovalenten Bindungen Paare mit Null-Netto-Spin.

Die magnetische Polarisation der Seltenerdmagneten beruht aber im Wesentlichen auf den Spins der 3d-Schalen der Eisenmetalle. Die Seltenerdmetalle stabilisieren die magnetische Ausrichtung der 3d-Schalen dadurch, dass ihre kristallinen Strukturen eine sehr hohe magnetische Anisotropie aufweisen. Dies bedeutet, dass ein Kristall aus dem Material in einer bestimmten Richtung magnetisiert ist, sich aber dagegen wehrt, in eine andere Richtung magnetisiert zu werden.

Die hohen magnetischen Momente auf atomarer Ebene in Kombination mit einer stabilen Ausrichtung, d. h. eine hohe magnetische Anisotropie, ergeben auf makroskopischer Ebene eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke.

Literatur

Peter Campbell: Permanent Magnet Materials and their Application. Cambridge University Press, 1996, ISBN 978-0-521-56688-9.

Einzelnachweise

B. D. Cullity, C. D. Graham: Introduction to Magnetic Materials. 2. Auflage. Wiley-IEEE Press, 2008, ISBN 978-0-471-47741-9, S. 489.
History of Rare-Earth Magnets. Abgerufen am 29. Mai 2013.
Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (PDF; 1,4 MB), MMPA Standard Nr. 0100-00, 2000

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[cull1-1] B. D. Cullity, C. D. Graham: Introduction to Magnetic Materials. 2. Auflage. Wiley-IEEE Press, 2008, ISBN 978-0-471-47741-9, S. 489.

[hist1-2] History of Rare-Earth Magnets. Abgerufen am 29. Mai 2013.

[tab1-3] Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (PDF; 1,4 MB), MMPA Standard Nr. 0100-00, 2000