Nd₂Fe₁₄B: формула, покорившая мир: история неодимового магнита

Неодимовые магниты являются в настоящее время наиболее широко используемым типом постоянных магнитов, составляя около 95% мирового рынка редкоземельных магнитов . Они представляют собой не просто магниты на основе неодима, а сплав, включающий редкоземельный металл неодим, бор и железо с химической формулой Nd₂Fe₁₄B.

Технология производства неодимовых магнитов была разработана в 1980-х годах и стала значительным прорывом для промышленности. Их применение охватывает широкий спектр устройств: от приводов CD-проигрывателей и жёстких дисков до серводвигателей, шаговых двигателей и магнитно-резонансных томографов (МРТ). Ожидается, что в ближайшие годы объём продаж неодимовых магнитов превысит 20 миллиардов долларов в год, чему способствует растущий спрос в сегменте электромобилей .

Преимущества неодимовых магнитов заключаются в их высокой эффективности при относительно низкой стоимости и компактных размерах. Они обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью , что обеспечивает сильное магнитное притяжение даже при небольших габаритах. Сложность разъединения таких магнитов обусловлена именно их высокой магнитной силой.

История открытия неодимовых магнитов содержит определённые спорные моменты. Следует отметить, что одновременно, но независимо друг от друга, два исследователя, работавшие в разных частях мира, внесли вклад в развитие этой технологии.

---

Основы теории

Для понимания уникальных свойств неодимовых магнитов и причин сложности их создания важно рассмотреть фундаментальные принципы, лежащие в основе постоянных магнитов. Если вы знакомы с физикой магнитных явлений, можете пропустить этот раздел, так как ниже приведено объяснение на уровне школьной программы.

Электрический ток в проводнике представляет собой упорядоченное движение электронов под воздействием электрического поля. Движение зарядов создает вокруг себя магнитное поле, что описывается законом Ампера и уравнениями Максвелла . Именно это явление лежит в основе работы электромагнитов: при пропускании тока через проводник вокруг него формируется магнитное поле, интенсивность которого зависит от силы тока и количества витков провода.

При помещении ферромагнитного материала в такое магнитное поле он испытывает притяжение к источнику поля. Для понимания причины ферромагнитных свойств рассмотрим процесс на атомном уровне.

Атом состоит из ядра, окружённого электронами, движущимися по орбитам согласно модели Резерфорда. Вращение электронов вокруг ядра эквивалентно малым электрическим токам, создающим собственные магнитные поля — так называемые магнитные дипольные моменты . Эти моменты связаны с орбитальным моментом импульса электрона (не путать со спином — квантовым свойством частицы).

Следует отметить, что магнитный момент выражается через фундаментальную квантовую величину, известную как магнетон Бора , который определяется через массу электрона, скорость света и постоянную Планка и имеет значение около 9.274×10⁻²⁴ Дж/Тл.

Для проявления магнитных свойств у вещества должны присутствовать нескомпенсированные электроны, чьи магнитные моменты не аннулируют друг друга. Внешнее магнитное поле способно ориентировать эти моменты в одном направлении, что приводит к возникновению суммарной намагниченности вещества и, как следствие, к его притяжению к магниту.

В материалах, не обладающих ферромагнитными свойствами, магнитные моменты либо полностью компенсируются (дипольный момент равен нулю), либо проявляются слабо, в несколько порядков меньшей степени, как в случае парамагнетиков .

Способность к намагничиванию, или ферромагнитные свойства, определяется атомной структурой вещества и распределением электронов по орбитам. Рассмотрим, например, железо (Fe) с порядковым номером 26 в таблице Менделеева, что соответствует числу электронов, расположенных на орбитах атома. Без углубления в детали (для заинтересованных — дополнительная информация здесь) известно, что электроны в атоме распределены по энергетическим уровням и орбитам (s, p, d, f), при этом в железе на d-орбитали находятся четыре неспаренных электрона. Именно они обуславливают его способность к намагничиванию.

Ферромагнитных материалов сравнительно немного. Помимо железа, к ним относятся:

• кобальт (№27);

• никель (№28);

• некоторые редкоземельные металлы из группы лантаноидов (57-71 элементы), например, гадолиний (№64) и тербий (№65); неодим занимает позицию №60;

• сплавы, включающие вышеперечисленные элементы, а также некоторые вещества с парамагнитными свойствами, но в составе сплава проявляющие ферромагнитные характеристики — к таким относятся сплавы Гейслера.

Несмотря на наличие ферромагнитных свойств, обычные железные объекты, например, гвозди, после воздействия внешнего магнитного поля практически не сохраняют остаточной намагниченности или быстро её теряют.

Причина этого связана с микроструктурой ферромагнитных материалов. В них существуют локальные области — магнитные домены — внутри которых магнитные диполи ориентированы в одном направлении. Однако кристаллическая структура обычного железного гвоздя является неупорядоченной, из-за чего суммарная намагниченность получается слабой. Для создания стабильного постоянного магнита необходимо обеспечить равномерное распределение и упорядоченную ориентацию магнитных доменов по определённой оси, что формирует выраженные полюса S и N.

Примечание: более подробное описание зависимости магнитных свойств от атомной структуры неодимового магнита представлено в данной статье.

Только при выполнении этих условий возможно производство постоянных магнитов, пригодных для промышленного и бытового применения. Такие магниты должны обладать следующими ключевыми характеристиками:

• высокой остаточной намагниченностью (Br), что обеспечивает создание сильного магнитного поля;

• значительной коэрцитивной силой (Hc), то есть устойчивостью к размагничиванию под воздействием внешних электромагнитных полей;

• стабильностью свойств при воздействии внешних факторов, в частности высокой температурой точки Кюри — температуры, при которой ферромагнитный материал теряет магнитные свойства и становится парамагнитным.

Хотя существует множество других параметров, эти три являются основополагающими для понимания основных требований к качественным постоянным магнитам.

Для достижения указанных характеристик необходимо проводить специальные технологические операции: изготовление сплавов с оптимальным составом, производство порошков, спекание, а также намагничивание при высоких температурах и сильных магнитных полях. В результате таких мероприятий формируется оптимальная структура магнитных доменов, обеспечивающая необходимую стабильность и мощность магнитного поля.

Классификация постоянных магнитов

Прежде чем перейти к описанию сплава, разработанного Джоном Кроатом и Масато Сагавой, целесообразно рассмотреть основные типы постоянных магнитов, которые использовались до внедрения неодимовых магнитов, а также продолжают применяться в различных отраслях. Несмотря на снижение их доли на рынке, они по-прежнему находят применение в специализированных технических задачах.

Природный магнетит

Магнетит — природный минерал, состоящий из оксидов железа (FeO·Fe₂O₃), представляет собой один из первых известных человеку магнитных материалов. Благодаря своим свойствам он сыграл важную роль в развитии навигации: его способность ориентироваться в магнитном поле Земли легла в основу устройства компаса. Также имеются исторические свидетельства изучения влияния магнетита на организм в традиционной китайской медицине.

Минерал имеет чёрный цвет, характерную кристаллическую структуру и формируется в природных условиях под воздействием давления и окисления. Часто содержит примеси других элементов, таких как титан, марганец, хром и магний, что может влиять на его магнитные характеристики. Температура Кюри магнетита варьируется в пределах 550–600 К, при достижении которой он теряет ферромагнитные свойства.

Сплав Альнико (в СССР — ЮНДК)

В 1920-х годах японский физик Котаро Хонда, работая в университете Тохоку, занимался исследованием магнитных свойств различных металлических сплавов. В ходе экспериментов с добавлением к стали легирующих элементов — таких как вольфрам, кобальт и хром — была разработана сталь KS, обладающая высокой остаточной намагниченностью и значительной коэрцитивной силой.

В 1931 году его ученик Токушичи Мусима усовершенствовал состав, включив алюминий, что позволило вдвое повысить коэрцитивную силу. Новый сплав, получивший название MKM, стал прототипом современного Альнико — первого промышленного сплава с постоянными магнитными свойствами, превосходящими существовавшие на тот момент материалы.

Название «Альнико» происходит от сокращений названий входящих в состав элементов, в дополнение к железу (примерно 53 % от общей массы):

• алюминий — около 10 %;

• никель — приблизительно 18 %;

• кобальт — до 19 %.

Альнико стал первым искусственным сплавом с высокими показателями остаточной намагниченности (в диапазоне 700–1200 мТл) и температурной устойчивости. Температура Кюри достигает около 800 °C, однако максимальная рабочая температура ограничена 535 °C. Существенным недостатком сплава является низкая коэрцитивная сила — в 10–15 раз ниже по сравнению с современными редкоземельными магнитами.

До 1950-х годов, до широкого внедрения ферритов, магниты на основе Альнико не имели серьёзных альтернатив по сочетанию магнитных характеристик и стоимости. Они применялись в акустических системах, измерительных приборах, генераторах и нагревательных элементах.

Наиболее эффективным методом производства таких магнитов является анизотропное литьё: формование происходит под воздействием внешнего магнитного поля, что обеспечивает направленную кристаллическую ориентацию и улучшает магнитные свойства. Изотропный метод, при котором внешнее поле не используется, даёт существенно более слабые характеристики.

Альнико остаётся востребованным в условиях, где необходима стабильная работа при высоких температурах и минимальные потери магнитных свойств со временем.

Феррит

Первые ферритовые магниты были разработаны в 1930 году японскими исследователями Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института. Они смешали порошкообразный магнетит с оксидом кобальта и с помощью спекания создали материал с высокой коэрцитивной силой.

Это открытие оказалось перспективным благодаря доступности сырья. Порошок оксида железа — побочный продукт металлургии, составляющий более 80 % от массы феррита, что делало его значительно дешевле по сравнению с альнико.

В 1935 году Като и Такеи основали компанию TDK, начавшую серийное производство ферритовых сердечников и магнитных порошков, в том числе для аудиокассет. В 1950 году в лаборатории компании Philips был случайно получен феррит бария BaO·6Fe₂O₃, ставший основой для новых типов постоянных магнитов.

Несмотря на сравнительно низкую остаточную намагниченность (200–400 мТл) и ограниченную рабочую температуру (до 280 °C), ферритовые магниты отличались высокой устойчивостью к размагничиванию и низкой себестоимостью. Это сделало их востребованными начиная с 1950-х годов, сначала на основе BaO·6Fe₂O₃, а затем SrO·6Fe₂O₃.

Производство ферритовых магнитов начинается с прокаливания смеси оксида железа с барием или стронцием при температуре свыше 1000 °C. Полученный материал формуется одним из двух способов:

• сухое прессование с последующим спеканием;
• формование из водной суспензии под действием магнитного поля, сушка и спекание.

После формирования и термической обработки проводится механическая доработка и намагничивание. Благодаря низкой стоимости ферритовые магниты находят широкое применение, включая бытовую технику и элементы электронных схем, например, ферритовые кольца.

Самарий-кобальт

Исследования в области редкоземельных магнитов показали, что соединения лантаноидов обладают особыми магнитными свойствами. У этих элементов (№57–71 в таблице Менделеева) остаются незаполненные f-орбитали, потенциально способные содержать до 14 неспаренных электронов, что формирует высокую магнитную анизотропию.

В 1960-х годах Карл Стрнат и Олден Рэй из Лаборатории материалов авиабазы Райт-Паттерсон разработали сплав SmCo₅ с остаточной намагниченностью до 1200 мТл и коэрцитивной силой, в 10 раз превышающей показатели ферритовых магнитов. Материал демонстрировал устойчивость к температуре до 550 °C и имел температуру Кюри около 800 °C. Кроме того, самарий-кобальтовые магниты характеризовались низкой температурной зависимостью и высокой коррозионной стойкостью при относительной хрупкости.

Сплавы SmCo₅ и Sm₂Co₁₇ применяются в ответственных и высокотемпературных условиях: в электронных устройствах, военной технике и профессиональной акустике.

Технология производства самарий-кобальтовых магнитов аналогична процессу получения ферритов:

• сплавы расплавляются и охлаждаются в литейных формах;
• слитки измельчаются до порошкообразного состояния для формирования одиночных магнитных доменов;
• порошок спекается при температуре около 1250 °C или связывается эпоксидной смолой с использованием магнитного поля. Далее проводится обработка поверхности и намагничивание.

Как был создан неодимовый магнит

Основной проблемой самарий-кобальтовых магнитов была высокая стоимость их компонентов. Самарий — один из наименее распространённых редкоземельных элементов, на его долю приходится лишь около 0,8% в составе природной руды. Ситуация с кобальтом также осложнялась: крупнейшие месторождения расположены в Демократической Республике Конго. В 1970-х годах, на фоне вооружённого конфликта в регионе, цены на кобальт значительно выросли, что спровоцировало кризис в промышленности, использующей постоянные магниты.

Разработка альтернативных, более доступных постоянных магнитов началась одновременно в двух исследовательских центрах — лаборатории General Motors в США и компании Sumitomo Metal Industries в Японии. Для американской стороны задача имела дополнительное значение из-за экономических последствий нефтяного кризиса, вызванного ограничением поставок нефти арабскими странами. Это потребовало сокращения производственных расходов, в том числе на компоненты автомобилей, в которых используется множество магнитов — от систем ABS до герконов в замках и ремнях безопасности.

Целью исследований было выявление более распространённого редкоземельного элемента, пригодного для создания мощного и устойчивого магнита. Джон Кроат обратил внимание на четыре лантаноида — лантан, церий, празеодим и неодим, на долю которых приходится около 90% в структуре редкоземельных руд. Однако у лантана и церия f-орбиталь остаётся незаполненной, что снижает коэрцитивную силу. Напротив, наличие неспаренных электронов на f-орбитали способствует формированию устойчивого магнитного момента.

Таким образом, выбор был ограничен празеодимом и неодимом. Следующей задачей было определение подходящего металла, с которым можно было бы сформировать интерметаллическое соединение, обеспечивающее высокие магнитные характеристики.

Кроат провёл серию экспериментов, в ходе которых было установлено, что при смешивании расплавов неодима и железа с последующим быстрым охлаждением образуется соединение с высокой коэрцитивной силой. Однако стабильность его свойств при повышении температуры оставалась неудовлетворительной. Требовалось создание более устойчивой к температурным воздействиям структуры. В интервью сам Кроат отметил:

Интерметаллическое соединение или интерметаллическая фаза – это фаза с фиксированным соотношением компонентов. Например, тербий-железо два имеет один тербий и два железа. И эти элементы находятся в строго определённых местах кристаллической решётки. Без этого постоянный магнит из редкоземельного металла просто не получится. Это то, что сохраняет магнитный момент в структуре материала.

После нескольких лет разработки в 1981 году был найден оптимальный состав: добавление бора стабилизировало структуру. Образованное соединение Nd₂Fe₁₄B (неодим-железо-бор) продемонстрировало выдающиеся свойства: остаточная намагниченность достигала 1400 мТл, а коэрцитивная сила превышала показатели самарий-кобальтовых магнитов, доходя до 2000 кА/м против 1200 кА/м. При этом себестоимость таких магнитов оказалась значительно ниже за счёт доступности компонентов.

Примечание: более подробно о кристаллической структуре Nd₂Fe₁₄B и её связи с магнитными свойствами можно прочитать в этой научно-технической статье

В ноябре 1983 года сотрудники General Motors представили свои результаты на конференции по магнетизму и магнитным материалам в Питтсбурге. Однако выяснилось, что практически одновременно японский учёный Масато Сагава из компании Sumitomo также разработал магнит на основе Nd₂Fe₁₄B и представил своё открытие на том же мероприятии, опередив американскую команду.

Первоначально американская сторона восприняла ситуацию как попытку присвоения чужой идеи. Однако вскоре стало ясно, что речь идёт не о плагиате. Две исследовательские группы — в США и Японии — действительно работали независимо друг от друга и пришли к аналогичным результатам практически одновременно. Их доклады были представлены на одной и той же научной конференции с минимальной разницей во времени. Подобные совпадения, хотя и редки, но возможны в научной среде.

Различия между технологиями всё же существовали. Японский инженер Масато Сагава предложил использовать метод сухого спекания, при котором порошкообразные компоненты спекаются под давлением и температурой без предварительного плавления. Этот подход обеспечивал несколько лучшие магнитные характеристики, но был менее экономичным по сравнению с методом быстрого охлаждения расплава, применённым Джоном Кроатом.

Несмотря на сходство химического состава магнитов, различия в технологических подходах позволили обеим компаниям — General Motors и Sumitomo — подать патентные заявки на соответствующие методы производства. General Motors получила патенты в Северной Америке, а Sumitomo — в Японии и на территории Европы. Это привело к временным юридическим ограничениям, препятствующим глобальному распространению технологий. Однако в дальнейшем стороны пришли к соглашению, урегулировав правовые претензии.

В то же время следует отметить, что заслуги в изобретении неодимового магнита в общественном восприятии приписываются в основном Масато Сагаве. Несмотря на параллельную работу Джона Кроата, именно Сагава стал лауреатом премии королевы Елизаветы в области инженерии в 2022 году. Джон Кроат, хотя и внёс значительный вклад, остаётся в тени: он является автором публикаций о постоянных магнитах и выступает на научных конференциях.

Как неодимовый магнит повлиял на развитие технологий

Неодимовые магниты обладают высокой остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой, однако имеют ряд технических ограничений:

• Рабочая температура существенно ниже по сравнению с альтернативными типами магнитов, такими как альнико или самарий-кобальтовые материалы. В зависимости от марки магнитов она может составлять до 200 °C, при точке Кюри около 310 °C. В 1990-х годах лаборатория Сагавы предложила добавление диспрозия (Dy) для повышения термической устойчивости, но в условиях высоких температур предпочтительнее остаются самарий-кобальтовые магниты.

• Повышенная подверженность коррозии требует обязательного покрытия поверхности, чаще всего никелем. При работе во влажной или химически агрессивной среде неодимовые магниты уступают самарий-кобальтовым по стойкости.

• Стоимость ферритовых магнитов остаётся значительно ниже, что делает их востребованными в экономичных решениях, в том числе в потребительской электронике и бытовых приборах.

Хотя стоимость производства неодимовых магнитов ниже, чем у самарий-кобальтовых, они также зависят от поставок редкоземельных элементов. Наиболее распространённым источником добычи неодима остаётся Китай, на долю которого приходится до 95% мировой добычи. Повышение экспортных ограничений и квот со стороны КНР, как с целью защиты внутреннего спроса, так и как инструмент внешнеполитического влияния, привело к нестабильности цен на редкоземельные металлы.

Несмотря на колебания цен и технические ограничения, неодимовые магниты продолжают занимать ключевые позиции на рынке благодаря высокой плотности магнитной энергии. Их компактность при сохранении сильного магнитного поля обусловила широкое внедрение в промышленность и электронику, начиная с 1980-х годов.

Сервоприводы и шаговые электродвигатели. Применение неодимовых магнитов в синхронных электродвигателях обеспечивает точное управление положением ротора и быстрый отклик при изменении нагрузки. В отличие от асинхронных двигателей, в которых имеется скольжение, синхронные двигатели с постоянными магнитами работают с высокой точностью. Это особенно важно для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), высокоскоростных шпинделей и других приложений, требующих прецизионного контроля.

Магнито-резонансная томография (МРТ). Основой работы магнитно-резонансных томографов является воздействие постоянного магнитного поля на организм человека с последующим анализом отклика ядер водорода. Неодимовые магниты используются в устройствах с индукцией поля до 300 мТл — преимущественно в системах открытого типа, которые применяются, например, для пациентов с клаустрофобией. В системах с более высоким полем применяются сверхпроводящие магниты, обладающие большей индукцией, но требующие криогенного охлаждения.

Жёсткие диски и приводные устройства. В 1980-х годах, с ростом персональной вычислительной техники, возникла необходимость в компактных и производительных устройствах хранения данных. Неодимовые магниты позволили значительно уменьшить размеры жёстких дисков благодаря их применению в системах позиционирования головки чтения/записи, а также в приводах вращения диска. Аналогичный принцип применялся в оптических приводах (CD, DVD), где требовалась высокая точность механического перемещения.

Вот что по этому поводу отмечал Масато Сагава:

Я думаю, что одним из наиболее важных применений неодимово-железо-борного магнита являются жёсткие диски. Если бы неодим-бор не был найден, было бы трудно сделать их по-настоящему компактными.

Электродвигатели транспортных средств. Одной из ключевых сфер применения неодимовых магнитов стали тяговые двигатели электромобилей. Преимущественно используются синхронные двигатели с постоянными магнитами, обеспечивающие высокую энергоэффективность и компактность конструкции. Рост популярности электромобилей, особенно на рынках Азии, обусловил увеличение спроса на магниты на основе редкоземельных элементов. В то же время геополитические факторы и концентрация производства неодима в Китае вызвали ограничения экспорта и колебания цен на сырьё.

Некоторые производители рассматривают альтернативные технологии. Например, компания Tesla сообщила о намерении перейти на другой тип магнитов для снижения зависимости от редкоземельных материалов. Подробнее о подходе Tesla.

Перечисленные направления не исчерпывают весь спектр применения неодимовых магнитов. Они также используются в акустических системах (наушники, высокочастотные динамики, звукосниматели), ветрогенераторах, механизмах магнитной фильтрации, системах крепления и сборки, в приборах автоматики и медицинской технике. Благодаря высокой плотности магнитной энергии и малым габаритам, такие магниты стали ключевым элементом во множестве современных технологических решений.