Magnetic Materials

Magnetische Materialien

Um den Magnetismus zu verstehen, ist es wichtig zu erkennen, welche Arten von Materialien zur Herstellung von Magneten verwendet werden und wie sich die verwendeten Materialien auf die ultimative Leistung eines Magneten auswirken.

Einführung / Klassifizierung / Neodym / Samarium-Kobalt / Alnico / Ferrit

Magnetic Elements

Einführung

Es gibt eine Reihe von Elementen, die von Magneten angezogen werden, die allgemein als „magnetisch“ bezeichnet werden. Dies sind die gleichen Materialien, die magnetisiert werden können, um Permanentmagnete zu erzeugen. Hier sehen Sie eine Liste von magnetischen Elementen und Mineralien:

Magnetische Materialien werden in magnetisch harte oder magnetisch weiche Materialien kategorisiert. Weichmagnetische Materialien lassen sich leicht magnetisieren, aber der induzierte Magnetismus ist normalerweise temporär. Wenn Sie beispielsweise mit einem Permanentmagneten über einen Nagel oder einen Schraubendreher reiben, wird der Nagel oder Schraubendreher vorübergehend magnetisiert und sendet ein eigenes schwaches Magnetfeld aus. Dies liegt daran, dass viele ihrer Eisenatome durch das äußere Magnetfeld vorübergehend in die gleiche Richtung ausgerichtet werden.

Wie weichmagnetische Materialien können auch hartmagnetische Materialien durch ein starkes äußeres Magnetfeld magnetisiert werden, wie es beispielsweise von einem Elektromagneten erzeugt wird. Der Unterschied besteht darin, dass hartmagnetische Materialien auf unbestimmte Zeit magnetisiert bleiben, es sei denn, sie werden durch ein entgegengesetztes Magnetfeld entmagnetisiert, über ihre Curie-Temperatur angehoben oder korrodieren gelassen. Hartmagnetische Materialien werden zur Herstellung von Permanentmagneten aus Legierungen verwendet, die in der Regel aus unterschiedlichen Anteilen an Eisen, Aluminium, Nickel, Kobalt und den Seltenerdelementen Samarium, Dysprosium und Neodym bestehen. Die stärksten Permanentmagnete sind als Neodym-Magnete bekannt und bestehen aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor. Permanentmagnete sind schwer zu magnetisieren, da sich ihre atomaren magnetischen Domänen im Gegensatz zu weichmagnetischen Materialien nicht leicht ausrichten lassen, aber wenn sie einmal ausgerichtet sind, bleiben sie so unbegrenzt.

Klassifizierung magnetischer Materialien

Da alle Materialien eine unterschiedliche atomare Struktur haben, reagieren unterschiedliche Materialien unterschiedlich, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden. In seiner einfachsten Form wird das magnetische Verhalten eines Materials durch die Anzahl der ungepaarten Elektronen in jedem Atom bestimmt. In den Atomen der meisten Elemente existieren Elektronen paarweise, wobei sich jedes Elektron in eine andere Richtung dreht, wodurch sie das Magnetfeld des anderen aufheben, daher existiert kein Nettomagnetfeld. Einige Materialien haben jedoch ungepaarte Elektronen, die ein Nettomagnetfeld erzeugen und daher stärker auf ein externes Magnetfeld reagieren. Die meisten Materialien werden entweder als ferromagnetisch, diamagnetisch oder paramagnetisch klassifiziert.

Atomic Structure
Ferromagnetisch

Ferromagnetisch

Ferromagnetische Materialien haben einige ungepaarte Elektronen in ihren Atomen und erzeugen daher ein Nettomagnetfeld, wenn auch ein sehr schwaches. Dies liegt daran, dass die einzelnen Atome oder Atomgruppen, die als magnetische Domänen bekannt sind, zufällig ausgerichtet sind und sich gegenseitig aufheben. Wenn ein externes Magnetfeld an das ferromagnetische Material angelegt wird, werden die einzelnen Domänen in eine Ausrichtung gezwungen, die sie beibehalten, sobald das externe Feld entfernt wird, wodurch ihr Magnetismus, bekannt als Remanenz, erhalten bleibt. Eisen, Nickel und Kobalt sind ferromagnetische Materialien.

Diamagnetisch

Diamagnetische Materialien stoßen jedes von außen angelegte Magnetfeld ab. Dies geschieht, weil sich ihre magnetischen Domänen neu ausrichten, um einem von außen angelegten Magnetfeld entgegenzuwirken, wenn sie von einem Magnetfeld beeinflusst werden. Alle Materialien zeigen einige diamagnetische Eigenschaften, jedoch ist der Effekt bei den meisten Materialien extrem schwach und unbemerkt. Alle Elektronen in den Atomen diamagnetischer Materialien sind gepaart, daher erzeugen sie kein eigenes Nettomagnetfeld. Die meisten Elemente des Periodensystems sind diamagnetisch.

paramagnetisch

paramagnetisch

Paramagnetische Materialien haben eine geringe Anfälligkeit für Magnetfelder, dh sie werden von einem Magnetfeld leicht angezogen. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien behalten sie jedoch ihre magnetischen Eigenschaften nicht bei, wenn das externe Magnetfeld entfernt wird. Die meisten Elemente sind jedoch paramagnetisch, da ihre Anziehungskraft jedoch viele tausend Mal schwächer ist als die von ferromagnetischem Material, werden sie auch allgemein als „nicht magnetisch“ angesehen.

Magnetische Rohstoffe

Alle Permanentmagnete der Welt bestehen derzeit aus fünf Materialsorten mit jeweils sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Die fünf Typen sind Alnico, Ferrit, flexibler Gummi und die Seltenerdmagnete Samarium-Kobalt und Neodym. Lesen Sie weiter, um mehr über die einzelnen Rohstoffe zu erfahren, wie die Arten von Permanentmagneten hergestellt werden und welche magnetischen Eigenschaften sie haben.

Ferrit (Fe)

Was ist Ferrit?

Ferrit ist ein Begriff für reines Eisen, das am leichtesten erkennbare ferromagnetische Material. Es ist auch ein Begriff, der verwendet wird, um magnetisches Ferritmaterial zu beschreiben, das eine Verbindung aus Strontiumcarbonat oder Barium und Eisenoxid (Fe2O3) ist. Ferritmagnete haben niedrige Herstellungskosten, sind aber auch viel schwächer als Seltenerd-Samarium-Kobalt- und Neodym-Magnete. Aufgrund ihrer geringen Herstellungskosten sind sie eines der am häufigsten verwendeten magnetischen Materialien, wenn eine hohe magnetische Leistung nicht der wichtigste Faktor ist.

Herstellung

Das Verfahren zur Herstellung von Ferritmagneten ist nicht so kostspielig und anspruchsvoll wie das zur Herstellung von Seltenerdmagneten, und da sie sehr hart und spröde sind, werden sie im Allgemeinen in Grundformen wie Quadraten, Zylindern und Ringen hergestellt. Die Herstellung von Ferritmagneten beginnt mit dem Kalzinieren einer feinpulverigen Mischung aus Eisenoxid und Strontiumcarbonat zu einem Metalloxid-Werkstoff. 

Nach dem Abkühlen wird das bereits feine Pulver mehrmals gemahlen, wodurch das kalzinierte Material zu feinen Partikeln kleiner als 2 Mikrometer oder 2 Mikrometer reduziert wird, sodass jedes Partikel aus einer einzigen magnetischen Domäne besteht.

Das Pulver wird dann gepresst und zu einer Matrize verdichtet. Erfolgt das Pressen in einem von außen angelegten Magnetfeld, werden die Partikel des Magneten ausgerichtet und der erzeugte Magnet wird anisotrop. Wenn das Pulver ohne ein von außen angelegtes Magnetfeld gepresst wird, ist der Magnet isotrop und hat schwächere magnetische Eigenschaften.

Nach dem Pressen werden die kompaktierten Partikel dann bei sehr hohen Temperaturen gesintert, damit die Partikel miteinander verschmelzen, bevor sie schließlich magnetisiert werden.

Magnetische Eigenschaften

Ferritmagnete sind relativ zu ihrer gesamten magnetischen Stärke kostengünstig herzustellen. Obwohl sie wesentlich schwächer als Seltenerdmaterialien sind, werden sie immer noch in vielen kommerziellen Anwendungen verwendet. Die Hauptstärke von Ferritmagneten ist ihre Beständigkeit gegen Entmagnetisierung und Korrosion.

Ferrite as a raw material

Neodym (NdFeB)

Was ist Neodym?

Neodym (Nd) ist ein Seltenerdelement mit der Ordnungszahl 60, das 1885 vom österreichischen Chemiker Carl Auer von Welsbach entdeckt wurde. Obwohl ein Teil der Familie der Seltenen Erden Neodym relativ reichlich vorhanden ist und nicht seltener als Kupfer ist.

Neodym wird mit Eisen und Bor sowie Spuren anderer Elemente wie Dysprosium und Praseodym vermischt, um eine ferromagnetische Legierung namens Nd2Fe14b herzustellen, das stärkste magnetische Material der Welt. 1982 von General Motors und Sumitomo Special Metals entwickelt, haben Neodym-Magnete andere Arten magnetischer Materialien in vielen modernen gewerblichen und industriellen Geräten ersetzt.

Herstellung

Bevor Neodym zu Neodym-Magneten verarbeitet werden kann, muss das abgebaute Seltenerdmineralerz raffiniert werden; ein Verfahren mit Dutzenden von chemischen Prozessen. Nach der Raffination wird Neodym mit Eisen, Bor und anderen erforderlichen Elementen vermischt, um die gewünschte Qualität zu erhalten, indem es in einem Vakuuminduktionsofen erhitzt wird, bis es geschmolzen ist. Im Allgemeinen wird die geschmolzene Legierung dann abgekühlt, um Barren zu bilden, bevor sie in einer Strahlmühle zu winzigen Körnern gemahlen wird.

Das superfeine Pulver wird dann in eine Form gepresst, während es gleichzeitig einem großen Magnetfeld ausgesetzt wird, das von einem Elektromagneten erzeugt wird. Beim Pressen des pulverförmigen Materials richtet das Magnetfeld die einzelnen magnetischen Domänen des ferromagnetischen Materials in Richtung des Magnetfelds aus. Beim Pressen des Materials wird die Richtung festgelegt und das anisotrope Material erhält seine bevorzugte Magnetismusrichtung.

Diese bevorzugte Magnetismusrichtung trägt zur Stärke und hohen Koerzitivfeldstärke des fertigen Magneten bei. Wenn während dieser Phase des Prozesses kein externes Magnetfeld angelegt wird, sind die einzelnen magnetischen Domänen des Materials nicht alle gleichmäßig ausgerichtet (isotrop) und als Ergebnis kann das Material in jede Richtung magnetisiert werden. Der fertige Magnet hat jedoch einen Bruchteil einer anisotropen Magnetstärke und eine geringere Koerzitivfeldstärke.

Magnetische Eigenschaften

Neodym-Magnete sind die stärksten verfügbaren Magnete und haben daher ein hohes Verhältnis von Leistung zu Volumen und Gewicht. Da sie so stark sind, bedeutet dies auch, dass sie relativ niedrige Kosten pro Krafteinheit (Maximum Energy Product, MGOe) haben. Sie haben eine unglaublich hohe Beständigkeit gegen Entmagnetisierung, haben aber im Allgemeinen im Vergleich zu anderen Materialien niedrige maximale Betriebstemperaturen und sind anfällig für Korrosion, wenn ihre Beschichtung beschädigt ist.

Andere Typen von Neodym-Magneten, einschließlich spezieller Typen mit hoher maximaler Betriebstemperatur, sind erhältlich. Weitere Informationen zu den Eigenschaften der oben nicht genannten Sorten finden Sie auf unserer Seite zu Neodym-Magnetsorten.

Neodymium as a raw material

Alnico (Al-Ni-Co)

Was ist Alnico?

Der Begriff Alnico ist ein Akronym für Aluminium, Nickel und Kobalt; die drei Hauptelemente, die verwendet werden, um magnetisches Alnico-Material herzustellen. Obwohl sie die ersten Permanentmagnete waren, die in den 1920er Jahren entwickelt wurden, sind Alnico-Magnete, abgesehen von Seltenerdmagneten, die stärksten verfügbaren Permanentmagnete. Mit der Einführung von Alnico-Magneten konnten teure Elektromagnete in Geräten wie Motoren, Generatoren und Lautsprechern durch Permanentmagnete ersetzt werden.

Herstellung

Alnico-Magnete werden seit fast 100 Jahren hergestellt und während dieser Zeit hat sich der Prozess nicht drastisch geändert. Die Hauptelemente, die zur Herstellung von Alnico-Magneten verwendet werden, sind Aluminium, Nickel und Kobalt, jedoch werden, wie bei anderen Arten von Permanentmagneten, Spuren anderer Elemente hinzugefügt, um spezifische Eigenschaften zu erzeugen. Alnico-Magnete werden nach einem von zwei Verfahren hergestellt:

Gießen

Mengen der einzelnen Elemente, die zur Herstellung von Alnico-Magneten verwendet werden, werden in einen Induktionsofen gegeben und bei über 1750? Das geschmolzene Material wird dann in eine Schalenform oder größere Grünsandformen gegossen. Wenn das geschmolzene Metall abkühlt, beginnen die Schalenformen zu brennen und wenn die Magnete kalt sind, ist die Schale fast zerfallen. Die Muster haben eine ähnliche Größe wie die erforderliche Magnetgröße, jedoch mit einer zusätzlichen Toleranz für Schrumpfung und Bearbeitung auf Maß. Die Magnethohlräume im Inneren sind durch Angusskanäle verbunden, die es dem geschmolzenen Metall ermöglichen, jeden Magnethohlraum zu erreichen, und die Angusskanäle werden dann verschrottet und nach dem Gießen der Magnete wieder geschmolzen.

Die neu gegossenen Magnete werden dann aus den Formen entnommen, bevor sie auf Schleifscheiben geputzt werden, um die Angusskanäle zu entfernen. Die Magnete werden dann auf unglaublich hohe Temperaturen erhitzt und dann in Magnetisatoren gelegt, damit sie in Gegenwart eines sehr starken Magnetfelds abkühlen können.

Anschließend werden die Magnete für einige Tage in große Temperöfen gelegt, um die Magnete zu tempern und zu stabilisieren. Die Wärmebehandlungsstufe des Verfahrens in Verbindung mit der Legierungsmischung verleiht dem magnetischen Material seine Temperaturhandhabungseigenschaften und seine endgültigen magnetischen Eigenschaften. Schließlich werden die Magnete in eine Spule oder Magnetisierer eingelegt und in einer Fünftelsekunde erzeugt der elektrische Impuls das notwendige Feld, das benötigt wird, um die Magnete vollständig zu magnetisieren.

Sintern

Bevor gesinterte Alnico-Magnete hergestellt werden können, müssen die Rohelemente zunächst durch Mahlen in winzige Partikel fein gemahlen werden. Das pulverförmige Magnetmaterial wird dann unter tonnenweisem Druck in eine Matrize gepresst, die der endgültigen gewünschten Form sehr nahe kommt.

Nach dem Pressen des Pulvers wird das Material in einem Ofen unter Wasserstoffatmosphäre bei über 1200 °C gesintert. Dieser Vorgang verschmilzt alle gepressten Partikel zu einem Magneten.

Das glühende Material wird dann in Gegenwart eines externen Magnetfelds gekühlt, um einen anisotropen Magneten herzustellen, oder ohne ein externes Magnetfeld, um einen isotropen Magneten zu erzeugen. Im Allgemeinen erfordern gesinterte Alnico-Magnete keine weitere Formgebung oder Bearbeitung, da die Matrize, in die sie gepresst werden, der gewünschten Form des Magneten sehr nahe kommt. Schließlich wird das magnetische Rohmaterial magnetisiert, indem es in eine Spule oder einen Solenoid-Magnetisierer gelegt wird, um die Magnete zu magnetisieren.

Magnetische Eigenschaften

Alnico-Magnete werden in Anwendungen verwendet, die eine außergewöhnliche magnetische Stabilität beim Betrieb bei hohen Temperaturen erfordern, da sie bei Temperaturerhöhung weniger an ihrer gesamten magnetischen Stärke verlieren als andere Permanentmagnete. Sie haben die höchsten maximalen Betriebstemperaturen aller permanentmagnetischen Materialien, sogar bis zu 550? für einige Klassen. Trotz ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperaturen sind sie jedoch anfällig für Entmagnetisierung, so dass das Zusammendrücken von zwei Alnico-Magneten in Abstoßung beide dauerhaft entmagnetisieren kann.

Alnico as a raw material

Samarium-Kobalt

Samarium-Kobalt (SmCo) ist ein magnetischer Werkstoff aus einer Legierung aus dem Seltenerdelement Samarium und dem Hartmetall Kobalt sowie Spuren von Eisen, Kupfer, Hafnium, Zirkonium und Praseodym. Wie Neodym sind Samarium-Kobalt-Magnete als Seltenerdmagnete bekannt, da Samarium zur gleichen Gruppe von Seltenerdelementen gehört wie Neodym. Samarium-Kobalt-Magnete wurden in den frühen 1970er Jahren vom Materiallabor der US Air Force entwickelt und waren dann die stärksten Magnete, die bis zur Einführung von Neodym-Magneten etwa zehn Jahre später erhältlich waren. Zum Zeitpunkt ihrer Einführung waren sie revolutionär und verdreifachten die Stärke des stärksten verfügbaren magnetischen Materials.

Herstellung

Samarium-Kobalt-Magnete werden typischerweise durch ein Reduktions- und Schmelzverfahren hergestellt, gefolgt von einem Verfahren zum Verbinden oder Sintern des Rohmaterials, um den Magneten zu bilden. Sintern ist das gängigste Herstellungsverfahren, wie hier beschrieben.

Ähnlich wie bei der Herstellung von Neodym-Magneten werden die Rohstoffe zur Herstellung von Samarium-Kobalt-Magneten in einem Induktionsofen erhitzt und geschmolzen. Die flüssige Legierung wird dann in Formen gegossen und abgekühlt, um Barren zu bilden. Sobald die Barren abgekühlt sind, werden sie zerkleinert und gemahlen, um winzige Partikel von Samarium-Kobalt-Pulver in Mikrometergröße herzustellen. Das Pulver wird dann mit einer von zwei Methoden gepresst; Matrizenpressen, bei dem das Pulver in eine harte Matrize gegeben und gepresst wird oder isostatisches Pressen, bei dem das Pulver in eine Gummimatrize gegeben und mit gleichem Druck in alle Richtungen gepresst wird. Isostatisch gepresste Magnete haben im Allgemeinen bessere magnetische Eigenschaften, während gesenkgepresste Magnete mit kleineren Abmessungen hergestellt werden können.

Nach dem Pressen wird das Pulver bei einer Temperatur von bis zu 1250 °C gesintert, wodurch das Pulver zu einem Feststoff verschmilzt. Das gesinterte Material wird dann bei ähnlichen Temperaturen einer Lösungsbehandlung unterzogen, bevor es zwischen 700°C und 900°C getempert und dann in Gegenwart eines von außen angelegten Magnetfelds abgekühlt wird.

Schließlich wird das Magnetmaterial mit wassergekühlten diamantbeschichteten Schleifmaschinen bearbeitet, geschliffen und endbearbeitet, bevor es beschichtet und magnetisiert wird.

Magnetische Eigenschaften

Samarium-Kobalt-Magnete sind in zwei Typen oder Qualitäten erhältlich, die allgemein als Serie 1:5 und Serie 2:17 bezeichnet werden. Beide Serien haben eine hohe magnetische Stärke und haben maximale Energieprodukte bis zu 35 MGOe. Obwohl sie nicht so stark wie Neodym-Magnete sind, besteht ihre größte Stärke darin, dass sie ihre Leistung bei Temperaturen bis zu 350 ° C halten können. Sie sind auch ohne Beschichtung extrem korrosionsbeständig. Da sie Kobalt enthalten, sind sie jedoch relativ teuer in der Herstellung.

Samarium Cobalt as a raw material
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