Neodym-Magnet

Zwei Neodym-Magnete (je ∅ 20 mm × 10 mm), welche mit bloßen Händen kaum zu trennen sind

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ist ein Magnetwerkstoff.

Aus Neodym, Eisen und Bor in der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B besteht der Werkstoff, aus dem Dauermagnete gleichen Namens hergestellt werden. NdFeB-Magnete besitzen herausragende Eigenschaften als Dauermagnete (Angaben bei Raumtemperatur):

• höchstes maximales Energieprodukt mit (BH)_max = 512 kJ/m³
• Sättigungsmagnetisierung J_S = 1,61 T
• hohe Koerzitivfeldstärken jHc von 870 bis 2750 kA/m (je nach Mikrostruktur/Herstellungsprozess)
• Curietemperatur T_C = 583 K

NdFeB verdankt, ähnlich SmCo-Magneten, seine hervorragenden Eigenschaften der Kombination der Elemente Neodym und Eisen. Dauermagnetische Werkstoffe sollen neben einer hohen spontanen Polarisation (Eisen) eine große uniaxiale Anisotropie besitzen. Damit bezeichnet man eine magnetische Vorzugsrichtung ("leichte Richtung"), die bei Dauermagneten auf Seltenerden-Basis durch die Kristallstruktur und Elektronenstruktur bestimmt ist. NdFeB besitzt eine hohe Kristallanisotropie, da die "magnetische" 4f-Schale durch die äußeren 5s²5p⁶-Schalen vom Ligandenfeld des Kristalls abgeschirmt wird und so das Bahnmoment der Schale voll wirksam bleibt. Durch die Spin-Bahn-Kopplung sind die Spins an das anisotrope Kristallfeld gekoppelt, und ein Verdrehen der Spins und damit der magnetischen Momente aus der leichten Richtung ist mit Energieaufwand verbunden.

Der unterste Neodym-Magnet zieht das 1300fache seines Gewichts auf der Erde an.

Große Kristalle aus Nd₂Fe₁₄B lassen sich relativ leicht entmagnetisieren und sind daher als Permanentmagnet nicht brauchbar. NdFeB-Werkstoffe haben daher eine feinkristalline Struktur. Die Nd₂Fe₁₄B-Kristalle werden zudem von einer feinen Schicht umgeben, in der das Seltenerdelement stark angereichert ist. Diese Struktur wird in einem von der japanischen Firma Sumitomo patentierten Sinterverfahren dargestellt. Nach diesem Verfahren werden die Magneten legiert, zu Pulver vermahlen, gepresst und gesintert. Durch die Pressung, vor allem aber durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes während des Prozesses, werden die Kristalle anisotrop ausgerichtet. Erst dadurch werden die hervorragenden magnetischen Eigenschaften voll genutzt.

Magneten, die nur aus Neodymium, Eisen und Bor bestehen, entmagnetisieren sich bereits bei Temperaturen von 80 °C teilweise und sind sehr korrosionsempfindlich. Durch Zusätze anderer Seltenerdelemente wie Dysprosium, Praseodym oder Terbium kann die Temperaturstabilität auf über 200 °C angehoben werden. Zur Erhöhung der Korrosionsstabilität werden oft andere Legierungsbestandteile wie Kobalt hinzulegiert. Dadurch wurden wesentliche Einschränkungen für den Einsatz dieses Materials gelindert. Dennoch sind NdFeB-Materialien den Samarium-Cobalt-Magneten in diesen beiden Punkten unterlegen. Deshalb müssen auch verbesserte NdFeB-Magneten für die meisten Einsatzgebiete durch eine Schutzschicht vor Korrosion geschützt werden. Am häufigsten werden hierfür Nickel- oder Epoxidharzbeschichtungen verwendet.

NdFeB-Magnete werden heute überall dort eingesetzt, wo man starke Magnetfelder bei kleinem Volumen braucht. Allerdings sind sie deutlich teurer als die schwächeren Ferritmagnete. Sie haben mittlerweile die eher veralteten und leicht zu entmagnetisierenden AlNiCo-Magnete praktisch verdrängt.

Große Neodymmagnete haben Ausmaße von ∅ 60 mm × 30 mm und eine Haltekraft von über 1000 N. Das entspricht der Gewichtskraft auf der Erde von ungefähr 100 kg.

Auch in der Automobilindustrie werden mittlerweile NdFeB-Magnete eingesetzt. Dort kommen besonders kunststoffgebundene isotrope Magnete zum Einsatz. Dabei ist man in der Formgebung der Magnete etwas flexibler und kann auf einen zusätzlichen Oberflächenschutz verzichten. Meist greift man dabei auf ein Spritzgussverfahren zurück; bei besonders hohen Energiedichten werden Presstechniken verwendet, die einen höheren NdFeB-Anteil zulassen.

Der größte Teil der NdFeB-Magneten wird heute in China produziert, welches über günstig abbaubare Neodym-Vorkommen verfügt und durch eine gezielte systematische staatliche Förderung eine marktbeherrschende Stellung anstrebt. Außerhalb Chinas gibt es in Japan mehrere bedeutende Hersteller, während in Europa und in den USA jeweils nur noch ein Hersteller maßgebliche Mengen NdFeB-Magneten selbst produziert.