Сильные постоянные магниты из редкоземельных сплавов.

Введение

Сильный постоянный магнит из сплавов редкоземельных элементов.

Редкоземельный магнит – это сильный постоянный магнит, изготовленный из сплавов редкоземельных элементов. Разработанные в 1970-х и 1980-х годах, редкоземельные магниты являются самым сильным типом постоянных магнитов, создаваемых в настоящее время, и производят значительно более сильные магнитные поля, чем другие типы, такие как ферритовые или алниковые магниты. Магнитное поле, обычно создаваемое редкоземельными магнитами, может превышать 1,2 тесла, в то время как ферритовые или керамические магниты обычно демонстрируют поля от 0,5 до 1 тесла. Существует два типа: неодимовые магниты и самарий-кобальтовые магниты. Редкоземельные магниты чрезвычайно хрупкие и также подвержены коррозии, поэтому их обычно покрывают защитным слоем, чтобы предотвратить их поломку, сколы или рассыпание в порошок. Разработка редкоземельных магнитов началась примерно в 1966 году, когда К. Дж. Стрнат и Г. Хоффер из Лаборатории материалов ВВС США обнаружили, что сплав иттрия и кобальта, YCo5, обладал самой высокой постоянной магнитной анизотропии среди всех известных на тот момент материалов. Термин "редкоземельные" может быть обманчивым, поскольку некоторые из этих металлов могут быть столь же распространены в земной коре, как олово или свинец, но редкоземельные руды не залегают слоями (как уголь или медь), поэтому на любом кубическом километре коры они встречаются "редко". В настоящее время основным источником является Китай. Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные, и китайские экспортные ограничения на эти материалы побудили другие страны, включая Соединенные Штаты, инициировать исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих использования редкоземельных металлов.

Самарий-кобальт

Самарий-кобальтовые магниты (химическая формула: SmCo5), первое семейство редкоземельных магнитов, получившее распространение, используются реже, чем неодимовые магниты, из-за их более высокой стоимости и меньшей магнитной индукции. Однако самарий-кобальт обладает более высокой температурой Кюри, что определяет применение этих магнитов в областях, где требуется высокая магнитная индукция при высоких рабочих температурах. Они обладают высокой устойчивостью к окислению, но спеченные самарий-кобальтовые магниты хрупкие, склонны к сколам и трещинам и могут разрушаться при термическом ударе.

Неодимовый

Неодимовые магниты, изобретенные в 1980-х годах, являются самым сильным и наиболее доступным типом редкоземельных магнитов. Они изготавливаются из сплава неодима, железа и бора (Nd2Fe14B), иногда обозначаемого как NIB. Неодимовые магниты применяются в многочисленных областях, где требуются мощные и компактные постоянные магниты, например, в электродвигателях для беспроводных инструментов, жестких дисков, магнитных фиксаторах и застежках для ювелирных изделий. Они обладают самой высокой магнитной индукцией и более высокой коэрцитивной силой (что обеспечивает их магнитную стабильность), но имеют более низкую температуру Кюри и более подвержены окислению, чем самарий-кобальтовые магниты. Коррозия может привести к отслаиванию поверхностного слоя или разрушению незащищенных магнитов в порошок. Для защиты от коррозии используются различные поверхностные покрытия, такие как золочение, никелирование, цинкование и лужение, а также покрытие эпоксидной смолой; большинство неодимовых магнитов имеют никелевое покрытие, обеспечивающее надежную защиту. Изначально высокая стоимость этих магнитов ограничивала их применение областями, требующими компактности в сочетании с высокой силой поля. И сырье, и патентные лицензии были дорогостоящими. Однако, начиная с 1990-х годов, магниты NIB постепенно дешевеют, и их более низкая стоимость стимулировала появление новых областей применения, таких как магнитные конструкторы.

Опасности и законодательство

Более высокая сила, создаваемая редкоземельными магнитами, представляет собой опасность, не свойственную другим типам магнитов. Магниты размером более нескольких сантиметров достаточно сильны, чтобы вызывать травмы частей тела, защемленных между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, вплоть до переломов костей. Магниты, поднесенные слишком близко друг к другу, могут столкнуться с такой силой, что хрупкий материал скалывается и разрушается, а отлетающие осколки могут нанести травмы. Начиная с 2005 года, мощные магниты, отрывающиеся от игрушек или магнитных конструкторов, стали причиной травм и смертельных случаев. Проглатывание мелких магнитов, таких как неодимовые магнитные шарики, может привести к повреждениям кишечника, требующим хирургического вмешательства. Магниты притягиваются друг к другу сквозь стенки желудка и кишечника, вызывая перфорацию кишечника. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США, по состоянию на 2010 год было зарегистрировано 33 случая, потребовавших хирургического вмешательства, и один смертельный исход. Магниты проглатывали как маленькие дети, так и подростки (которые использовали их, чтобы имитировать пирсинг языка).

Северная Америка

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, обеспечивающий надежное соединение сильных магнитов для предотвращения проглатывания, и ограничивающий силу несвязанных магнитов. После отмены этого стандарта количество случаев проглатывания магнитов в стране резко возросло и, по оценкам, превысило 1500 в 2019 году, что побудило CPSC рекомендовать не использовать магниты детям младше 14 лет. В 2009 году американская компания Maxfield & Oberton, производитель Buckyballs, решила переупаковать магнитные шары и продавать их как игрушки. Buckyballs были представлены на Нью-Йоркской международной ярмарке подарков в 2009 году и проданы в количестве сотен тысяч экземпляров, прежде чем Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) издала предписание об отзыве для упаковки с маркировкой 13+. По данным CPSC, 175 000 единиц было продано населению. Менее 50 единиц было возвращено. Шары с надписью "Держать подальше от детей" не подлежали отзыву. Впоследствии Maxfield & Oberton заменили все упоминания слова "игрушка" на "настольная игрушка", позиционируя продукт как средство для снятия стресса для взрослых и ограничив продажи в магазинах, специализирующихся на детских товарах. В Соединенных Штатах, в результате приблизительно 2900 обращений в отделения неотложной помощи в период с 2009 по 2013 год, вызванных проглатыванием "шарообразных" или "мощных" магнитов, или обоих, CPSC начала разработку нормативных актов, направленных на ограничение их продажи. Дальнейшее расследование CPSC, опубликованное в 2012 году, выявило растущую тенденцию случаев проглатывания магнитов маленькими детьми и подростками с 2009 года. Случаи с участием детей старшего возраста и подростков были непреднамеренными и связаны с использованием магнитов для имитации пирсинга, например, пирсинга языка. Комиссия указала на скрытые осложнения, возникающие при прилипании более одного магнита к тканям внутри тела. В 2012 году был объявлен еще один отзыв продукции Buckyballs, а также аналогичных продуктов, продаваемых в США как игрушки. Против других подобных американских компаний были поданы административные жалобы и предписания об отзыве. Maxfield & Oberton отказались от отзыва и продолжили продавать свои настольные игрушки. Компания начала политическую кампанию против CPSC, а Крейг Цукер, соучредитель компании, обсуждал вопросы безопасности с представителями комиссии на телеканале FOX News. В июне 2012 года, в связи с письмом сенатора США Кирстен Гиллибранд председателю CPSC Инес Тененбаум, CPSC подала административные жалобы, стремясь запретить продажу Buckyballs и Zen Magnets. Zen Magnets LLC стала первой компанией, получившей подобную жалобу без зафиксированных случаев травм. В ноябре 2012 года Buckyballs объявили о прекращении производства в связи с судебным иском CPSC. В марте 2016 года Zen Magnets (производитель сфер из неодимовых магнитов) выиграла важное судебное разбирательство 2014 года, касающееся опасности, связанной с "недостаточными" предупреждающими надписями на их магнитных шарах. Суд округа Колумбия постановил, что "правильное использование Zen Magnets и Neoballs не представляет никакой опасности". С января 2017 года многие бренды магнитных сфер, включая Zen Magnets, возобновили продажу небольших неодимовых магнитных сфер после успешной апелляции Zen Magnets в Апелляционном суде США десятого округа, который отменил нормативный акт CPSC 2012 года, запрещающий эти продукты, и тем самым вновь сделав продажу небольших неодимовых магнитов законной в Соединенных Штатах. Это была первая подобная потеря для CPSC более чем за 30 лет. Исследование, опубликованное в журнале "Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition", показало значительное увеличение числа случаев проглатывания магнитов детьми после 2017 года, включая "пятикратное увеличение числа случаев, требующих более интенсивного лечения при многократном проглатывании магнитов". 3 июня 2020 года CPSC представила в комиссию "Пакет материалов для брифинга сотрудников по ответу на петицию", даже после отзыва петиции. В нем излагается намерение провести исследование в 2021 году с предложением о разработке правил в 2022 году для голосования. По состоянию на 2019 год производители работают над аналогичным добровольным стандартом в ASTM. 26 октября 2017 года CPSC подала административную жалобу против Zen Magnets, утверждая, что наборы магнитов содержат дефекты продукции, создающие значительный риск травмирования детей, и заявила, что "согласно федеральному законодательству, любому лицу незаконно продавать, предлагать к продаже, производить, распространять в торговле или ввозить в Соединенные Штаты Zen Magnets и Neoballs". Продажа "определенных продуктов с небольшими, мощными магнитами" запрещена в Канаде с 2015 года.

A voluntary standard for toys, permanently fusing strong magnets to prevent swallowing, and capping unconnected magnet strength, was adopted in 2007. After the rule was nullified, the number of ingestion incidents in the country rose sharply, and is estimated to exceed 1,500 in 2019, leading the CPSC to advise children under the age of 14 to not use the magnets. In 2009 US company Maxfield & Oberton, maker of Buckyballs, decided to repackage sphere magnets and sell them as toys. Buckyballs launched at New York International Gift Fair in 2009 and sold in the hundreds of thousands before the U. S. Consumer Product Safety Commission issued a recall on packaging labeled 13+. According to the CPSC, 175,000 units had been sold to the public. Fewer than 50 were returned. Buckyballs labeled "Keep Away From All Children" were not recalled. Subsequently, Maxfield & Oberton changed all mentions of "toy" to "desk toy", positioning the product as a stress reliever for adults and restricted sales from stores that sold primarily children's products. In the United States, as a result of an estimated 2,900 emergency room visits between 2009 and 2013 due to either "ball shaped" or "high powered" magnets, or both, the U. S. Consumer Product Safety Commission (CPSC) has undergone rulemaking to attempt to restrict their sale. Further investigation by the CPSC published in 2012 found an increasing trend of magnet ingestion incidents in young children and teens since 2009. Incidents involving older children and teens were unintentional and the result of using the magnets to mimic body piercings such as tongue studs. The commission cited hidden complications if more than one magnet becomes attached across tissue inside the body. Another recall was issued for Buckyballs in 2012 along with similar products marketed as toys in the US. Recalls and administrative complaints were filed against other similar US companies. Maxfield & Oberton refused the recall and continued selling their desktop toys. The company launched a political campaign against the CPSC, and Craig Zucker, the company's co founder, debated the safety commission on FOX News. In June 2012, due to a letter by U. S. Senator Kirsten Gillibrand to U. S. Consumer Product Safety Commission Chairwoman Inez Tenenbaum, the United States Consumer Product Safety Commission filed administrative complaints, attempting to ban the sale of Buckyballs and Zen Magnets. Zen Magnets LLC is the first company to ever receive this sort of complaint without record of injury. In November 2012, Buckyballs announced that they had stopped production due to a CPSC lawsuit. In March 2016, Zen Magnets (a manufacturer of neodymium magnet spheres) won in a major 2014 court hearing concerning the danger posed by "defective" warning labels on their spherical magnets. It was decided by a DC court (CPSC Docket No: 12 2) that "Proper use of Zen Magnets and Neoballs creates no exposure to danger whatsoever." As of January 2017, many brands of magnet spheres including Zen Magnets have resumed the sale of small neodymium magnet spheres following a successful appeal by Zen Magnets in the Tenth Circuit US Court of Appeals which vacated the 2012 CPSC regulation banning these products and thereby rendered the sale of small neodymium magnets once again legal in the United States. It was the CPSC's first such loss in more than 30 years. A study published in the Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition found a significant increase in magnet ingestions by children after 2017, including "a 5 fold increase in the escalation of care for multiple magnet ingestions". On June 3, 2020, the CPSC submitted a "Petition Response Staff Briefing Package" to the commission, even after the petition was rescinded. It outlines a desire to conduct research in 2021 with a suggested rule proposal in 2022 for a vote. As of 2019, manufacturers are working on a similar voluntary standard at the ASTM. On October 26, 2017, the CPSC filed an administrative complaint against Zen Magnets, alleging that the magnet sets contained product defects that created a substantial risk of injury to children, declaring that "It is illegal under federal law for any person to sell, offer for sale, manufacture, distribute in commerce, or import into the United States any Zen Magnets and Neoballs." Sales of "certain products with small, powerful magnets" are prohibited in Canada since 2015.

Океания

В ноябре 2012 года, после введения временного запрета в штате Новый Южный Уэльс, по всей Австралии вступил в силу постоянный запрет на продажу неодимовых магнитов. В январе 2013 года министр по делам потребителей Саймон Бриджес объявил о запрете на импорт и продажу комплектов неодимовых магнитов в Новой Зеландии, который начал действовать с 24 января 2013 года.

Влияние на окружающую среду

Проект Европейского Союза ETN Demeter (Европейская сеть обучения проектированию и переработке двигателей и генераторов с постоянными магнитами из редкоземельных элементов для гибридных и полностью электрических транспортных средств) исследует вопросы экологичного проектирования электродвигателей, используемых в автомобилях. В частности, они разрабатывают электродвигатели, в которых магниты можно легко извлечь для переработки редкоземельных металлов. Европейский исследовательский совет Европейского Союза также предоставил главному исследователю, профессору Томасу Зембу, и со-главному исследователю, доктору Жану Кристофу П. Габриэлю, грант Advanced Research Grant для проекта "Рециклинг редкоземельных элементов с минимальными вредными выбросами: REE CYCLE", направленного на поиск новых способов переработки редкоземельных элементов.

Альтернативы

Министерство энергетики США выявило потребность в поиске заменителей редкоземельных металлов в технологиях постоянных магнитов и приступило к финансированию соответствующих исследований. Агентство передовых исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) инициировало программу REACT (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) – «Альтернативы редкоземельным элементам в критически важных технологиях» – для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по разработке заменителей редкоземельных элементов.