Magnete sind Gegenstände oder Materialien, die ein Magnetfeld erzeugen und ferromagnetische Materialien in unmittelbarer Nähe beeinflussen können. Ein Magnet hat in der Regel eine Polpaarung, von der das Magnetfeld ausgeht.
In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie man Magnete herstellt.
Klassifizierung von Magneten
Bevor der Herstellungsprozess von Magneten besprochen wird, ist es wichtig, die verschiedenen Klassifizierungen von Magneten wie folgt zu beachten:
1. Temporäre Magnete
Das sind Materialien, die magnetisch werden, wenn eine Magnetfeld und kann sich nicht selbst erhalten. Einschließlich: Weicheisen und einige seiner Legierungen wie Permalloy (Eisen und Nickel), Nägel, Büroklammern.
2. Elektromagnete
Bei diesen Magneten erzeugt ein auf einen Metallkern gewickelter Draht Magnetismus, wenn der Strom durch den Draht fließt.
Das Magnetfeld, dessen Stärke von der Stromstärke abhängt, geht verloren, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird.
3. Dauermagnete
Dies sind besondere Materialien, die keine äußere Kraft oder Erscheinung benötigen, um magnetische Eigenschaften zu besitzen. Solange die erforderlichen Umgebungsbedingungen gegeben sind, behalten sie ihren Magnetismus für eine sehr lange Zeit bei.
Einige Dauermagnete verlieren nach 10 Jahren nur einen Bruchteil ihrer magnetischen Eigenschaften.
Vor der Herstellung von Magneten zu berücksichtigende Faktoren
Bevor Sie die Herstellung von Magneten in Erwägung ziehen, müssen Sie diese vier entscheidenden Faktoren berücksichtigen, die die magnetische Leistung beeinflussen:
Curie-Temperatur (TC)
Die Curie-Temperatur definiert die Temperatur, bei der die magnetischen Eigenschaften (permanent) eines Materials verloren gehen. Normalerweise tritt bei einem solchen Material ein Phänomen auf, das induzierter Magnetismus zu diesem Zeitpunkt. Es ist ein besonders wichtiger Faktor, der bei der Herstellung von Magneten für Hochtemperaturanwendungen zu berücksichtigen ist.
Koerzitivfeldstärke (Hc)
Koerzitivfeldstärke ist eine Eigenschaft, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, einer Entmagnetisierung zu widerstehen, wenn ein fremdes Magnetfeld vorhanden ist. Für die Herstellung von Dauermagneten benötigt man Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke, die in Ampere/Meter gemessen wird.
Remanenz (Br)
Auch bekannt als RestmagnetismusDie Remanenz ist das Maß für den magnetischen Fluss, der nach dem Herstellungsprozess in einem Dauermagneten verbleibt. Die Remanenz ist das Maß für die magnetische Feldstärke eines Dauermagneten.
Maximale Energie Produkt (BHmax)
Die SI-Einheit hierfür ist Kilojoule/Kubikmeter - kJ/m3.
In der Regel bezeichnet das maximale Energieprodukt die magnetische Energiedichte eines Permanentmagneten. Es ist das Produkt aus der magnetische Flussdichte's Höchstwert (B) und seine Feldstärke (H).
Herstellungsprozess von Magneten
Teil A: Elektromagnete
Elektromagnete haben einen Magnetkern, um den ein Draht gewickelt ist, der bei Stromfluss Magnetismus erzeugt. Bei der Herstellung von Elektromagneten werden Sie Folgendes finden:
- Eisen als Kern
- Kupfermetall, das die Spule bildet
Metallguss ist das gängige Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten.
Beim Gießen von Magneten aus Metall können Sie dehnbare und nicht dehnbare Formen verwenden. Dadurch können Sie Magnete mit vielen Designs und Konfigurationen herstellen.
Gießen
Beim Gießen des elektromagnetischen Kerns sind die folgenden Schritte typisch:
Schritt 1: Mustererstellung
Das Modell bestimmt die Form Ihrer Form auf der Grundlage der gewünschten Form des Magnetkerns. Ein Modell muss maßhaltig sein und sich ohne Beschädigung aus dem Formhohlraum entfernen lassen.
Ein Modell sollte auch Schrumpfungsspielraum und Durchlass für das geschmolzene Metall durch Angüsse, Anschnitte und Speiser bieten. Je nach Verfahren und Umfang können Sie Kunststoff, Holz, Metall oder Wachs als Modellmaterial verwenden.
Schritt 2: Formenbau
Je nach Gießtechnik können Sie eine wiederverwendbare oder eine nicht wiederverwendbare Form verwenden. Metall wird in der Regel in wiederverwendbaren Formen verwendet, während Keramik und Sand typisch für nicht wiederverwendbare Formen sind.
Das Formverfahren beinhaltet die Bildung eines Gusses durch den Abdruck eines Modells mit Keramikpulver oder Sand in einer Küvette. Nach Erreichen des gewünschten Gusses wird das Modell je nach Gießtechnik entweder durch Schmelzen oder Trennen der Küvettenhälften entfernt.
Schritt 3: Schmelzen des Eisens oder der Eisenlegierung
Elektromagnetische Kerne werden aus Eisen oder seinen Legierungen mit Elementen wie Kobalt hergestellt, die die besten elektromagnetischen Eigenschaften aufweisen. Erhitzen Sie das Metall bis zum geschmolzenen Zustand.
Schritt 4: Füllen der Form
Füllen Sie den Formhohlraum, indem Sie das verflüssigte Metall aus dem Tiegel gießen, und beachten Sie dabei alle notwendigen Sicherheitsvorkehrungen. Der Füllvorgang sollte weder zu langsam (kann vor dem vollständigen Füllen aushärten) noch zu schnell (könnte die Form beschädigen) erfolgen.
Schritt 5: Entfernung des Gipses
Die Entnahme des Gussteils erfolgt erst, wenn das geschmolzene Metall abgekühlt und vollständig erstarrt ist. Bei einer Einwegform wird die Baugruppe gerüttelt, um das Brechen der Form und das Lösen des Gussteils einzuleiten.
Bei nicht ausfahrbaren Formen hilft das Entfernen der Auswerferstifte, den Gussmagneten zu entfernen.
Schritt 6: Fertigstellung
Nach dem Entfernen der Form führen Sie Nachbearbeitungsmaßnahmen durch, wie z. B. das Reinigen durch Entfernen des restlichen Formmaterials. Außerdem schneiden Sie die Angüsse ab, mit denen das geschmolzene Metall in den Formhohlraum geleitet wurde, und glätten die Kanten.
Schritt 7: Herstellung der Spule
Kupferdraht, der durch Ziehen von Kupferstäben durch eine Reihe von Matrizen hergestellt wird, findet Verwendung beim Formen der Spule eines Elektromagneten. Nachdem Sie Ihren Eisenkern aus der Form genommen haben, wickeln Sie den Kupferdraht in seiner ganzen Länge darüber.
Beachten Sie, dass die Anzahl der Kupferdrahtwindungen neben der Stromstärke auch die Stärke des Elektromagneten beeinflusst.
Schritt 8: Bereitstellung von Terminals
Mit Hilfe von Klemmen können Sie Ihren Elektromagneten an eine Stromquelle anschließen, die die Erzeugung des Magnetfeldes einleitet. Je nach Anwendung werden sowohl Wechsel- als auch Gleichströme in Elektromagneten verwendet.
Teile B: Dauermagnete
Dauermagnete, die heute verwendet werden, sind das Ergebnis jahrelanger Forschung mit einzigartigen Metallkombinationen. Keramiken, Elemente der seltenen Erden (Neodym und Samariumkobalt) und Alnico sind die wichtigsten Magnete dieses Typs.
Bei der Herstellung von Dauermagneten aus Seltenen Erden werden diese zum Schutz beschichtet, da sie anfällig für Beschädigungen und Sprödigkeit sind.
1. Neodym (NdFeB) Magnete
Neodym ist heute einer der besten Dauermagnete. Er enthält Neodym, Eisen und Bor.
Im Laufe der Jahre ist das Sintern nach wie vor ein beliebtes Herstellungsverfahren für Neodym-Magnete (NdFeB).
Sintern
Die Sinterverfahren zur Herstellung von Neodym-Magneten ist praktisch und wurde von vielen Magnetherstellern übernommen.
Das Verfahren beruht auf den Prinzipien der Pulvermetallurgie. In der Regel bietet dieses Verfahren viele Freiheiten, so dass Sie jede Art von Magneten herstellen können.
Der Prozess lässt sich jedoch wie folgt zusammenfassen:
Legieren und Gießen von Bändern
Beim Legierungsprozess werden Neodym, Eisen, Bor und andere kleinere Elemente in den gewünschten Mengen kombiniert. Der Legierungsprozess dient dazu, die Mikrostruktur des Endprodukts zu verändern, die nachfolgenden Arbeitsgänge zu verbessern und die magnetischen Eigenschaften zu erhöhen.
Die Agglomeration wird dann geschmolzen und durch Erhitzen in einem Ofen unter Vakuumbedingungen in Bänder gegossen. Eine Vakuumumgebung wird genutzt, um zu verhindern, dass Luft mit der Schmelze reagiert und das Legierungsmaterial verdirbt.
Das geschmolzene Metall wird unter Druck in eine Kühltrommel gepresst, wo es einen schnellen Abkühlungsprozess durchläuft. Das Ergebnis ist die Bildung von winzigen Metallkörnern, die für eine effiziente Verarbeitung in den nachfolgenden Schritten und die Qualität des Endprodukts gut geeignet sind.
Wasserstoffentfaltung und Mahlen
Beim Bandgießen entstehen Bleche aus kleinen Körnern, die für die Herstellung von Magneten pulverisiert werden müssen. Bei der Wasserstoffdekrepitation wird Wasserstoff zugeführt, um das Material weiter zu zerkleinern, was eine einfachere Verarbeitung in weiteren Schritten ermöglicht.
Die kleineren Partikel werden mit Hilfe eines Strahlmahlverfahrens, bei dem ein unter hohem Druck stehender Inertgasstrom verwendet wird, weiter zerkleinert. Das Inertgas ist ein Zyklon, der dafür sorgt, dass die Partikel nach Größe verteilt werden und sich nicht an der Behälterwand festsetzen.
Drücken Sie
Der Pressvorgang erfolgt in zwei Schritten:
Unter der Einwirkung eines Magnetfeldes
Hier wird das Pulver in einer automatisierten Presse noch unter Schutzgaseinfluss in eine Form gebracht. Es folgt ein Pressvorgang unter einem starken Magnetfeld, der zu einer Ausrichtung der Partikel führt.
Die Ausrichtung Ihres Magnetfeldes kann sein:
- Ausgerichtet mit geformtem Block oder,
- Senkrecht zum geformten Block
Die erste Option wird in der Regel gewählt, um die höchste Anisotropie für den Magneten zu erreichen.
Isostatisches Pressen
Dabei wird der aus der Form entnommene Block in einer isostatischen Kaltpresse einem hohen Druck ausgesetzt. Das Ergebnis ist, dass alle Luftlöcher im Block beseitigt werden, was zu einem kleineren Block führt.
Abbildung zeigt den Prozessablauf für NdFeB-Magneten:
Sintern
Sie werden den Block im Ofen erhitzen. Dabei darf die Heiztemperatur den Schmelzpunkt des Materials nicht überschreiten.
Durch die hohe Temperatur werden die Atome des Materials angeregt, wodurch sich die mechanischen und magnetischen Eigenschaften des Blocks verbessern.
Die Ausrichtung der Domänen erfolgt in der beim isostatischen Pressen vorgegebenen Richtung. Die hohe Temperatur führt dazu, dass die erforderliche Flussdichte erreicht wird und die Metallblöcke weiter reduziert werden, aber zum letzten Mal.
Glühen
Der Sinterprozess verursacht Wärmespannungen im Metallblock, die eine weitere Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen erfordern, um die Spannungen zu beseitigen. Dabei werden die Blöcke für eine bestimmte Zeit abwechselnd hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt und allmählich auf Raumtemperatur gebracht.
Spanende Bearbeitung und Oberflächenbehandlung
Bearbeitungsverfahren wie Schneiden und Schleifen sind von entscheidender Bedeutung, um das NdFeB wie gewünscht und mit minimalem Abfall zu formen. Dies geschieht durch eine genaue Kontrolle und das Recycling von Abfallmaterial.
Aufgrund der Sprödigkeit von NdFeB und seiner geringen Korrosionsbeständigkeit ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren wie die Beschichtung erforderlich. Zu den Beschichtungsoptionen gehören Nickel-Kupfer-Nickel, Aluminium-Zink und sogar Epoxid.
Prüfung
Wie bei jedem Herstellungsprozess sind Produktprüfungen unerlässlich, um eine genaue Qualitätskontrolle und die Einhaltung von Normen zu gewährleisten. Um die Effizienz zu steigern, sollte in jeder Phase des Prozesses eine Prozessbewertung durchgeführt werden, um das kostspielige Risiko eines fehlerhaften Produkts zu minimieren.
Magnetisierung
Bei der Magnetisierung wird das NdFeB in eine elektrische Spule eingeschlossen, die ein kurzes, aber starkes Magnetfeld erzeugt. Das Material nimmt das Magnetfeld an, sobald die elektrische Spule abgeschaltet wird, wodurch ein Neodym-Magnet entsteht.
2. Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo)
Wie Neodym wird auch Samariumkobalt in Pulverform hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren unterscheidet sich jedoch in bestimmten Aspekten von Samariumkobalt.
In der Fertigung Samarium-Kobalt-Magneteläuft der Prozess wie folgt ab:
Vorbereitung der Legierung
Die Herstellung von Samarium-Kobalt-Legierungen umfasst das Induktionsschmelzen von Samarium- und Kobaltmetallen im Vakuum oder unter Inertgas. Das geschmolzene Legierungsmaterial kann dann in Barren für das nächste Verfahren gegossen oder zu Klumpen verarbeitet werden.
Fräsen
Hier werden die Samarium-Kobalt-Legierungsklumpen oder -blöcke durch einen Mahlprozess in Pulverform zerkleinert. Zur Zerkleinerung dieser großen festen Legierungsmaterialien wird eine leistungsstarke Hammermühle eingesetzt, in der Regel in Gegenwart von Stickstoff.
Beim Strahlfräsen erfolgt die Zerkleinerung des Legierungsmaterials durch Abrieb, der durch den Hochgeschwindigkeitszusammenstoß der Partikel verursacht wird. Wichtige Parameter, die beim Fräsen zu berücksichtigen sind, sind: die Größe der Partikel und ihre Verteilung, Oxidation und kristalline Defekte.
Durch das Mahlen wird das Legierungsmaterial zu winzigen einkristallinen Teilchen reduziert, während die Oberfläche für den Sinterprozess vergrößert wird. Das Fehlen von Korngrenzen in den Partikeln lässt nur eine einzige Magnetisierungsachse zu und beeinflusst die Koerzitivfeldstärke.
Ausrichten und Pressen
Sie erreichen die höchstmöglichen Magnetqualitäten, indem Sie vor der Verdichtung eine Partikelausrichtung veranlassen.
Achten Sie beim Induzieren der magnetischen Eigenschaften darauf, dass diese parallel zu den Pulverteilchen verlaufen.
Eine Matrizen- oder isostatische Presse führt die Verdichtung in einem Magnetfeld durch, das parallel oder senkrecht zur Pressrichtung vorhanden ist. Das Magnetfeld kann statisch oder gepulst sein, wobei ein großes homogenes Feld zu einer gleichmäßigen und hochgradigen Ausrichtung führt.
Die Ausrichtung ist ein Produkt aus Partikeleigenschaften wie Form und Größe, Magnetfeldstärke und Pressdruck. Der beim Pressen ausgeübte Druck sollte die Partikelverteilung nicht stören, sondern gerade so hoch sein, dass die Handhabung unterstützt wird.
Das isostatische Ausrichten ist dem Matrizenpressen vorzuziehen, da es Pulver in Magnetfeldern verdichten kann, die viermal so stark sind wie die des Matrizenpressens. Folglich wird die Ausrichtung der Partikel verbessert und während der gesamten Presse aufrechterhalten, mit einem höheren maximalen Energieprodukt und einer höheren Remanenz.
Sintern und Aushärten
Beim Sintern von Samariumkobalt wird der Prozess in reduzierenden Atmosphären, unter Inertgas oder im Vakuum durchgeführt. Durch das Sintern wird das Kornwachstum gehemmt, was die endgültigen Magneteigenschaften fördert.
Die Sinterung sollte bei konstanter Temperatur und über einen bestimmten Zeitraum erfolgen. Dadurch wird die Bildung von Luftspalten vermieden, die zur Oxidation neigen und die Nutzbarkeit des Magneten im Laufe der Zeit beeinträchtigen können.
Ein Aushärtungsprozess folgt auf den Sinterprozess, um die Koerzitivfeldstärke in SmCo auf ein optimales Niveau zu bringen und die Eigenschaften der Schleife zu formen.
Bearbeitung
Durch das Sintern werden Form und Größe des SmCo-Magneten in der Regel durch Schrumpfung an die gewünschten Endproduktparameter angepasst. Daher sind einige Bearbeitungsvorgänge erforderlich, um die vorgeschriebenen Magneteigenschaften zu erreichen.
SmCo-Material ist sehr spröde und sehr anfällig für Absplitterungen und Brüche, so dass eine direkte Befestigung in Spannfuttern nicht ratsam ist. Stattdessen halten einzigartige Klebstoffe, die auf einer Stahlunterlage befestigt sind, das Magnetmaterial in Position, wenn Standardmaschinen zum Schleifen verwendet werden.
Magnetisierung
SmCo kann zwar vor der Montage magnetisiert werden, da es eine hohe Koerzitivfeldstärke und eine gute Rückstoßpermeabilität aufweist, aber seine spröde Beschaffenheit spricht dagegen. Daher werden viele SmCo-Materialien während der Montage magnetisiert, indem ein Magnetfeld angelegt wird, das etwa das Zweifache der Koerzitivfeldstärke beträgt.
Prüfung
Bei der Prüfung von SmCo-Magneten geht es darum, die Entmagnetisierungskurven der Magnete anhand der Daten eines Flussmessgeräts zu verstehen. Man vergleicht die Werte mit denen eines Standardmagneten und klassifiziert sie dann nach ihren Flussdichten.
Alnico-Magnete
Diese Magnete bestehen aus:
- Kobalt (Co)
- Aluminium (Al)
- Nickel (Ni)
Geringfügige Zusätze von Refraktärmetallen, Eisen und Kupfer können zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften vorgenommen werden.
Alnico-Magnete zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften aus, wie z. B. beeindruckende thermische Eigenschaften wie hohe Arbeitstemperaturen und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Allerdings weisen sie eine niedrige Koerzitivfeldstärke auf, was sie anfällig für Entmagnetisierung macht.
Alnico kann mit einem der beiden folgenden Verfahren hergestellt werden: Gießen oder Sintern:
Gießen
Das Gießen von Alnico ermöglicht die Herstellung komplexer Formen und damit eine breitere Anwendung. Das Gießverfahren für Alnico umfasst im Allgemeinen die folgenden Schritte:
Induktives Schmelzen
Beim Induktionsschmelzen werden Temperaturen von über 1750 °C erreicht, wobei die festen Aluminium-, Nickel- und Kobaltklumpen in den geschmolzenen Zustand überführt werden. Da Aluminium einen niedrigen Schmelzpunkt hat, wird es erst in den letzten Phasen des Prozesses zugegeben.
Gießen
Das geschmolzene Alnico-Material wird in Sandformen gefüllt, die auf der Grundlage von Modellplatten entworfen werden, die die endgültige Magnetform für den Guss haben. Nach dem Füllen der Formhohlräume mit dem geschmolzenen Material werden diese abgekühlt und verfestigt, bevor sie aus den Sandformen herausgebrochen werden.
Reinigung
Die Alnico-Gussstücke aus dem Gussverfahren weisen Oberflächenfehler auf, die durch den Gussprozess bedingt sind und entfernt werden müssen. Zu diesen Fehlern gehören scharfe Kanten, Grate und die Anschnitte, durch die das geschmolzene Material geleitet wurde.
Diese Verunreinigungen werden durch Schleifen mit Scheuermaschinen, Schleifen mit Schleifscheiben und Putzen mit Wasser entfernt.
Abbildung zeigt Gießverfahren für Alnico-Magnet:
Wärmebehandlung
Das Alnico-Magnetmaterial wird nun verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen, zunächst einem Homogenisierungsprozess bei etwa 1250 °C. Auf eine kurze Glühphase folgt eine viertelstündige magnetische Abkühlung bei etwa 850 °C.
Der Glühvorgang ist für die Entwicklung eines Gefüges mit anisotropen und spinodalen Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung. Schließlich wird der Magnet höchstens einen Tag lang getempert, wobei die Temperatur bis auf 550 °C sinkt. Dadurch wird eine maximale Koerzitivfeldstärke und eine chemische Trennung der spinodalen Komponenten erreicht.
Bearbeitung
Die Bearbeitung ist notwendig, um das Aussehen der Magnete zu verändern, wenn auch nur in geringem Umfang. Zu den üblichen Bearbeitungsvorgängen gehören Schneiden und Schleifen, mit denen Sie Ihre Magnete mit engen Toleranzen bearbeiten können.
Prüfung
Bei der Prüfung Ihrer Magnete müssen Sie die Bedeutung des zu prüfenden Parameters für Ihre Anwendung und die Kosten berücksichtigen. Die Ergebnisse Ihrer Prüfung sollten direkt auf eine magnetische Funktion zurückzuführen sein.
Einige gängige Prüfverfahren für Ihren Magneten sind:
- Aufzeichnung einer B-H-Kurve unter Verwendung eines Permeameters, der eine Beschreibung der temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften bietet.
- Schätzungen der Remanenz, der Koerzitivkraft und des maximalen Energieprodukts durch Entschlüsselung der Gesamtdipolmomente aus den Messungen des Gesamtflusses.
- Messung der Flussdichten mit einem Gaussmeter und einer Sonde.
Beschichtung
Obwohl Alnico-Magnete eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, können Beschichtungen aufgebracht werden, um den Oberflächenschutz zu verbessern. Einige der üblichen Beschichtungen sind Epoxidbeschichtungen, Nickel und Konversionsbeschichtungen wie Chromate, Eisen und Zink.
Magnetisierung
Beim Magnetisierungsprozess wird ein Solenoid verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das die magnetischen Domänen des Alnico-Materials ausrichtet. Ein Solenoid ist im Wesentlichen ein Elektromagnet, der jedoch ausgehöhlt ist, um die Positionierung des zu magnetisierenden Materials zu ermöglichen.
Die Parameter des Magnetisierungsfeldes sind bei der Durchführung eines Magnetisierungsprozesses wichtig, da sie die Eigenschaften der Alnico-Magnete beeinflussen.
Sintern
Der Vorteil des Sinterns von Alnico liegt in der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Gießen bei gleichzeitigem Verzicht auf magnetische Eigenschaften. Der Sinterprozess erfolgt in den folgenden Stufen:
Induktives Schmelzen
Der Sinterprozess beginnt damit, dass die Elemente Aluminium, Nickel und Kobalt unter speziellen Bedingungen geschmolzen werden. Durch Induktionsschmelzen werden die einzelnen Elemente zu einem einzigen Legierungswerkstoff verbunden, der dann in Form von Granulat gegossen und abgekühlt wird.
Fräsen
Ziel des Mahlvorgangs ist es, das körnige Alnico-Material in Pulver für den Pressvorgang zu verwandeln. Es wird eine Mühle verwendet, in der die Partikel mechanisch bearbeitet werden, um sie in die gewünschte Partikelgröße zu zerkleinern.
Drücken Sie
Das Alnico-Pulvermaterial aus dem Mahlprozess wird in spezielle Matrizen geleitet, die so gestaltet sind, wie der Magnet aussehen würde. Hier verdichtet die Matrizenpresse sie unter großem Druck von etwa fünf Kilo bar zu einem kompakten Festkörper.
Sintern
Beim Sintern wird das Material in einem Ofen kontrolliert auf Temperaturen knapp unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt. Dabei werden Luftspalten beseitigt, wodurch das Alnico-Material weiter verdichtet und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
Kühlung
Das Alnico-Stück wird aus dem Ofen genommen und auf eine von zwei Arten abgekühlt: durch isotrope oder anisotrope Abkühlung. Die anisotrope Abkühlung erfolgt in Gegenwart eines Magnetfelds, während die isotrope Abkühlung ohne ein Magnetfeld erfolgt.
Die Abkühlung unter einem Magnetfeld richtet die Alnico-Teilchen in die gewünschte Richtung der magnetischen Ausrichtung aus. Wenn Sie ohne Magnetfeld kühlen, können Sie während der Magnetisierung eine mehrpolige Ausrichtung vornehmen.
Nach dem Abkühlungsprozess folgen die weiteren Verfahren des Prüfens, Beschichtens und Magnetisierens in ähnlicher Weise wie beim Gießverfahren.
Ferrit/Keramik-Magnete
Ferrit-Magnete sind erschwinglich. Außerdem haben sie eine ausgezeichnete thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit.
Im Vergleich zu Seltenerdmagneten und Alnico haben sie jedoch die geringsten magnetischen Eigenschaften.
Die Flexibilität bei der Herstellung von Keramik und ihre Kompatibilität mit anderen Materialien ermöglicht die Herstellung verschiedener Ferritmagnete. Ferrite können auch mit Polymerwerkstoffen verbunden werden, was zu viel schwächeren, aber flexiblen Plastoferritmagneten führt.
Das Herstellungsverfahren von Ferriten durch Sintern sieht folgendermaßen aus:
Mischen
Das Sintern basiert auf der Pulvermetallurgie, wobei der Prozess der Pulverherstellung mit dem Mischen keramischer Verbindungen beginnt. Eisenoxid ist neben Strontiumkarbonat oder Bariumkarbonat ein Primärmaterial, nicht beides.
Die Verwendung eines angemessenen Verhältnisses der beiden Materialien ist notwendig, um sicherzustellen, dass Koerzitivfeldstärke und Remanenz des Magneten ausgeglichen sind. Wenn Sie die erforderliche Menge an Eisenoxid überschreiten, kommt es zu einer Ausbeulung der Körner und zu einer Verringerung der Koerzitivfeldstärke.
Ein Karbonatüberschuss wirkt sich negativ auf die Remanenzfähigkeit der Magnete aus. Die Zugabe von Siliziumdioxid hemmt das Kornwachstum und begünstigt die Kalzinierung bei höheren Temperaturen.
Kalzinierung
Die beim Kalzinieren erreichten Temperaturen liegen zwischen 1250°C und 1300°C. Sehr niedrige Temperaturen behindern den Abschluss der Festkörperreaktion, während sehr hohe Temperaturen die Koerzitivkraft verringern und das Kornwachstum fördern.
Abbildung zeigt den Prozessablauf für gesinterte anisotrope Ferritmagnete:
Nassmahlen
Das Ferritmaterial aus der Kalzinierung wird durch Zugabe von Wasser zu Pulver gemahlen, um eine Aufschlämmung zu bilden und die Ausrichtung und Dichte zu verbessern. Beim Nassmahlen werden Partikel zwischen 0,7 µm und 0,9 µm erzielt.
Kleinere Partikel unter 0,7 µm verursachen Probleme bei der Verdichtung und Sinterung. Andererseits verringern größere Partikel über 0,9 µm die Koerzitivfeldstärke.
Nasses Pressen
Die kleinen Partikel aus der Nassvermahlung werden in einer Pressstation mit starkem Magnetfeld in Matrizen überführt. Das Magnetfeld ist in der Regel orthogonal zur Richtung des mechanischen Pressens.
Die nassen Partikel werden unter hohem Druck komprimiert, der in der Regel zwischen 5-15 MPa liegt. Kampfer und Polyvinylalkohol können als Bindemittel zugesetzt werden, um die Komprimierung zu verbessern, und werden im anschließenden Sinterprozess entfernt.
Eine Alternative zum Nasspressen ist das Trockenpressen, das entweder anisotrop oder isotrop durchgeführt werden kann. Allerdings sind die Drücke, die zum Verdichten des Pulvers in eine kompakte Form erforderlich sind, viel höher und liegen zwischen 40 und 80 MPa.
Sintern
Das verdichtete Ferritmaterial aus dem Pressvorgang wird durch eine Wärmebehandlung im Bereich von 1150°C - 1200°C gesintert. Die Sintertemperatur ist im Allgemeinen um etwa 100 °C niedriger als die beim Kalzinieren verwendete Temperatur, um das Wachstum von Körnern zu verhindern.
Die sorgfältige Aushärtung und die Kontrolle des Wachstums der stark ausgerichteten Körner gegenüber den weniger ausgerichteten verbessert die magnetische Textur des Ferritmaterials. Die Pulverpartikel sind etwa einen Mikrometer groß und damit gerade klein genug für den nächsten Schritt.
Sie können Siliziumdioxid, Tonerde, Chromoxid oder Kalziumoxid einzeln oder in Mischungen hinzufügen, um die Verdichtung zu verbessern. Das Sintern neigt zu anisotroper Schrumpfung, die bei der Konstruktion der Form berücksichtigt werden muss.
Schleifen
Sinterkeramik kann trotz ihrer unglaublichen Härte und Sprödigkeit geschnitten und geschliffen werden, um sie in Form zu bringen. Es können diamant- und hartmetallbestückte Werkzeuge wie Schleifmaschinen und Sägen verwendet werden.
Magnetisierung
Dies ist der letzte Schritt im Herstellungsprozess eines gesinterten anisotropen Ferritmagneten. Das Ferritmaterial wird einem Magnetfeld ausgesetzt, das bis zum Dreifachen der gewünschten Koerzitivfeldstärke des Magneten reicht.
Gebundene Magnete
Gebundene Magnete werden durch die Kombination eines hartmagnetischen Materials mit einem nichtmagnetischen Bindemittel, in der Regel einem Polymer oder Elastomer, hergestellt. Gebundene Magnete können je nach Material und Mischungsverhältnis starr oder flexibel sein (wenn auch mit geringerer Magnetstärke).
Seltene Erden wie Neodym und Samariumkobalt werden neben Ferriten einzeln oder in Kombinationen als hartmagnetisches Material verwendet. Gängige Bindemittel sind Polyester, duroplastische Epoxide und Nylon für starre Haftmagnete sowie Vinyl und Nitrilkautschuk für flexible Magnete.
Bei gebundenen Magneten sind keine Nachbearbeitungen erforderlich. Dies senkt die Produktionskosten, die durch die Präsentation von Baugruppen in einem Arbeitsgang noch weiter gesenkt werden können.
Gebondete Magnete haben jedoch eine relativ niedrige maximale Betriebstemperatur und eine schlechte thermische Stabilität.
Die Herstellung von Haftmagneten kann wie folgt dargestellt werden:
Vorbereitung des Materials
Hier benötigen Sie Bindemittel und Magnetpulver als Hauptmaterialien. Je nach Anwendungsbedarf können Sie gebundene Neodym-Magnete, gebundene SmCo-Magnete oder gebundene Ferrit-Magnete verwenden.
Mischen und Gießen
Der Mischvorgang dient dazu, eine gleichmäßig verteilte Masse für den Formgebungsprozess bereitzustellen, bei dem das Material geformt wird. Der Formgebungsprozess ist für die Herstellung von Verbundmagneten von zentraler Bedeutung, wobei die folgenden vier Verarbeitungsoptionen zur Verfügung stehen:
Spritzgießen
Neodym- und Ferritmaterialien werden üblicherweise als magnetisches Material beim Spritzgießen verwendet. Das Materialgemisch wird hohen Schmelztemperaturen ausgesetzt, bevor es zur Abkühlung in einen speziell konstruierten Formhohlraum eingespritzt wird.
Bei Großserienfertigung können Sie mehrere Formnester verwenden, um die Effizienz zu steigern. Das Spritzgießen ermöglicht die Herstellung von Verbundmagneten mit komplizierten Formen, da Sie einzigartig geformte Gussformen herstellen können.
Compression Bonding
Das Presskleben ist ein Synonym für die Herstellung von gebundenen Neodym-Magneten. Bei diesem Verfahren werden die Neodym-Pulverkörner zunächst während des Mischens von dem verflüssigten Bindemittel umhüllt. Das umhüllte Pulvergemisch gelangt dann in einen Presshohlraum, wo es mit hohem Druck in die gewünschte Form gepresst wird.
Nach dem Presskleben folgt ein Aushärtungsprozess bei hohen Temperaturen (150°C-175°C) in einem Ofen, um das Bindemittel weiter zu härten und zu verfestigen. Mit dem Kompressionsbindeverfahren werden bei den gebundenen Magneten höhere Flussdichten erreicht als bei den im Spritzgussverfahren hergestellten Magneten.
Kalandrieren
Beim Kalandrieren werden meist Ferritpulver als magnetisches Material und flexibles Gummi als Bindemittel verwendet, um kontinuierliche Platten mit magnetischen Eigenschaften herzustellen. NdFeB wird in begrenztem Umfang mit einem Hybridmaterial verwendet, das NdFeB und eine Ferritverbindung häufiger.
Die Gummi- und Magnetmaterial enthaltende Mischung wird auf aufeinanderfolgende beheizte Walzen geleitet, die eine große Druckkraft ausüben. Die Kombination aus Wärme und Druck verwandelt die Mischung in Platten mit großer Spannung und unterschiedlicher Länge.
Extrusion
Bei der Extrusion werden die gleichen Rohkomponenten wie beim Kalandrieren verwendet, d. h. Ferrite, NdFeB oder NdFeB/Ferrit-Hybride mit flexiblen Elastomeren. Aufgrund der abrasiven Eigenschaften von NdFeB- und Ferritmaterialien müssen die Werkzeuge mit verschleißfestem Material beschichtet werden.
Das gemischte und erwärmte Verbundmaterial wird über eine Extrusionsschnecke unter Druck einem Heißdüsensystem zugeführt. Das extrudierte Produkt, das das Querschnittsprofil der Düse annimmt, wird entweder gestapelt oder in die gewünschten Längen geschnitten.
Fertigstellung
Die Maßgenauigkeit der verklebten Materialien in den hervorgehobenen Verfahren ist hoch, so dass Nachbearbeitungen nicht erforderlich sind. Sie können jedoch noch Nachbearbeitungen wie Schneiden und Stanzen vornehmen, um die Laminate in die gewünschte Form zu bringen.
Beschichtung
Bei starren Haftmagneten wie Neodym bietet die Beschichtung einen Oberflächenschutz vor Korrosion und erhöht gleichzeitig die Haltbarkeit. Übliche Beschichtungsmaterialien, die bei der Bindung eingesetzt werden, sind Epoxid und Nickel.
Magnetisierung
Bei der Magnetisierung von gebundenen Magnetwerkstoffen werden diese für kurze Zeit großen Magnetfeldern ausgesetzt. Dieser Prozess kann auf anisotropen oder isotropen Wegen mit unterschiedlichem Erfolg durchgeführt werden.
Ein isotroper Pfad für gebundene Magnetmaterialien vereinfacht den Herstellungsprozess, da das Fehlen von Restmagnetisierung eine einfachere Handhabung des Prozesses ermöglicht.
Vergleich zwischen gesinterten und gebundenen Magneten
Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen gesinterten und gebundenen Magneten.
| EIGENTUM | SINTERED | GEBUNDEN |
| Magnetische Stärke | Erzeugt sehr starke Magnete. | Die Magnete sind weniger stark. |
| Mechanische Festigkeit | Relativ geringe mechanische Festigkeit im Vergleich zum Gegenstück. | Hohe mechanische Festigkeit durch erhöhte Partikelhaftung. |
| Flexibilität | Begrenzte Anzahl von Magnetformen, die Sie erreichen können. | Es können sehr komplexe Magnetformen hergestellt werden. |
| Rohmaterialien | In der Regel wird nur magnetisches Materialpulver verwendet. | Erfordert die Verwendung von magnetischem Materialpulver und einem Polymerbindemittel. |
| Maßgenauigkeit | haben eine geringe Maßgenauigkeit, die eine Nachbearbeitung erfordert. | Sie haben eine hohe Maßgenauigkeit, da sie nur einmal geformt werden und nicht weiter bearbeitet werden müssen. |
| Verarbeitung Verlust | Es entstehen große Materialverluste durch Sekundärprozesse. | Die einmalige Bauteilbildung sorgt dafür, dass nur geringe Materialverluste zu verzeichnen sind. |
| Magnetische Ausrichtung | Kann nur in der beim Pressen der Form vorgegebenen Richtung magnetisiert werden. | Die isotrope Natur des Materials ermöglicht eine Magnetisierung in multipolarer Anordnung. |
| Maximales Energieprodukt (BHMAX) | Weist größere BH-Werte als 50M auf. | Viel niedrigere BH-Werte unter 10M aufzeichnen. |
| Kosten | Die hohen Kosten ergeben sich aus der Verwendung von 100%-Magnetpulver und der Notwendigkeit einer sekundären Verarbeitung. | Geringere Kosten aufgrund des geringen Pulverbedarfs und der geringeren Notwendigkeit der Bearbeitung. |
Schlussfolgerung
Die Herstellung von Dauermagneten oder temporären Magneten erfolgt in einem fortlaufenden Prozess.
Im Idealfall bestimmt der Herstellungsprozess des Magneten die Qualität und die Eigenschaften des Endprodukts.
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