Seltenerdmagnete. Historie Entwicklung SmCo: Mitte der 60er Jahre Einsatz: Ende der 60er/Anfang der 70er Jahre

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1 18 Seltenerdmagnete Historie Entwicklung SmCo: Mitte der 60er Jahre Einsatz: Ende der 60er/Anfang der 70er Jahre Entwicklung NdFeB: Anfang der 80er Jahre Einsatz: Mitte der 80er Jahre Produktionsbeginn bei Magnetfabrik Schramberg 1986 Rohstoffvorkommen Die wesentlichen Bestandteile bei SmCo sind Samarium und Cobalt, bei NdFeB Neodym und Eisen. Die Seltenerdmetalle Samarium und Neodym sind in Form von Erzen reichlich vorhanden und sind im Periodensystem den seltenen Erden zugeordnet. Cobalt ist als natürlicher Rohstoff ebenfalls in ausreichenden Mengen vorhanden. Rohstoffgewinnung Neodym, Samarium und Cobalt werden in verschiedenen Gebieten der Erde abgebaut. Werkstoffart Metallischer Werkstoff Herstellungsverfahren Press- und Sinterprozess unter Schutzgas Wann eingesetzt bzw. prägnante Eigenschaften Seltenerdmagnete weisen eine sehr hohe Energiedichte auf und finden immer dann ihren Einsatz, wenn höchste Kräfte bzw. höchste magnetische Flussdichten auf kleinstem Raum gefordert sind. Durch die hohen Energiedichten ist eine Miniaturisierung z. B. im Bereich Sensortechnik oder eine Reduzierung der Baugruppengröße z. B. im Motorenbau möglich.

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3 20 Seltenerdmagnete Der Weg vom Rohstoff zum Magneten Legierung Warenausgangskontrolle Magnetisieren, Markieren, Beschichten nach Kundenwunsch Seltenerdmagnete bestehen hauptsächlich aus intermetallischen Verbindungen von Seltenerdmetallen (Samarium, Neodym) und Übergangsmetallen (z. B. Cobalt, Eisen). Im Unterschied zu Hartferritmagneten erfolgt das Mahlen, Pressen und Sintern unter Schutzgas-Atmosphäre. Die Magnete werden entweder im Ölbad (isostatisch) oder im Werkzeug (axial oder diametral) gepresst. Nach dem Sintern lassen sie sich z. B. durch Schleifen mit Diamantwerkzeugen weiterbearbeiten. Oberfläche bearbeiten (Schleifen/Sägen) Sintern

4 Seltenerdmagnete 21 Rohstoffeingangsprüfung Brechen/Sieben Mahlen Mischen Isostatisches Pressen Axial- und Querfeldpressen mit Magnetfeld

5 22 Seltenerdmagnete Magnetische Kenndaten im Vergleich NdFeB 300/12 h NdFeB 270/12 h NdFeB 20/12 w NdFeB 20/17 h Remanenz B r [] (Mittelwerte) Sm2Co17 19/160 h Sm2Co17 180/160 w NdFeB 230/17 w NdFeB 230/220 h NdFeB 210/220 h NdFeB 200/220 w NdFeB 180/220 w NdFeB 210/20 h NdFeB 180/20 w SmCo 160/17 h 900 SmCo 140/17 w Koerzitivfeldstärke H cj [] (Mittelwerte) Formgebungsmöglichkeiten Ring-, Rund-, Segment- und Vierkantmagnete sind die gebräuchlichsten Formen presstechnisch hergestellter Dauermagnete. Darüber hinaus können auch Sonderformen hergestellt werden am besten schon beim Pressen, da eine nachträgliche Formgebung (mit Bohrungen, Fasen, Kerben, Senkungen usw.) nur durch aufwändige Bearbeitungsverfahren mit Diamantwerkzeugen möglich ist. Dabei ist zu beachten, dass diese nur in Pressrichtung hergestellt werden können. Da bei en Magneten die Magnetisierungsrichtung der Pressrichtung entspricht, können Bohrungen, Fasen, Kerben, Senkungen usw. auch nur in Magnetisierungsrichtung angebracht werden. >> Nähere Details finden Sie unter dem Stichwort Typische Magnetformen in den technischen Informationen auf Seite 60. Mechanische Eigenschaften Als typische Sintermetalle reagieren Seltenerdmagnete spröde gegen Schlag- und Biegebelastung, wobei Sm2Co17 die höchste Sprödigkeit aufweist. Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Trennen sind wegen der spezifischen Härte nur mit Diamantwerkzeugen möglich. Bearbeitungsverfahren wie Erodieren oder Wasserstrahlschneiden sind ebenfalls möglich. Magnetische Kenndaten Die maximalen Einsatztemperaturen für NdFeB-Magnete variieren zwischen 130 C und 2, bei SmCo-Magneten zwischen 20 C und 30 C. Die kompletten magnetischen Kenndaten, gemessen nach IEC , sind auf den Seiten in Diagramm- und Tabellenform zusammengefasst. Abhängig von Form und Abmessung können Abweichungen auftreten. Axial, im Querfeld (diametral) und isostatisch gepresste Magnete Seltenerdmagnete werden entweder aus isostatisch gepressten Rohmagneten geschnitten bzw. im Querfeld (h-material) oder im Axialfeld (w-material) gepresst. Die unterschiedlichen Herstellungsarten wirken sich auf die magnetischen Eigenschaften aus. So weisen die h-materialien eine etwas höhere Remanenz (B r ) auf. Die Koerzitivfeldstärke (H cj ) ist identisch. Im Allgemeinen erfüllen jedoch die im Axialfeld gepressten Typen die gestellten Anforderungen und können bei größeren Stückzahlen kostengünstiger hergestellt werden. Temperaturverhalten Unter Temperatureinflüssen zeigen Seltenerdmagnete ein verändertes magnetisches Verhalten. Die Remanenz und die Koerzitivfeldstärke sinken mit steigender Temperatur und steigen mit fallen-

6 Seltenerdmagnete 23 Wissenswertes der Temperatur (Temperaturkoeffizienten siehe Tabellen). Die Prozesse sind reversibel. Durch die Reduzierung der Koerzitivfeldstärke bei hohen Temperaturen können Magnete mit tiefliegendem Arbeitspunkt und/oder magnetischen Gegenfeldern einen bleibenden Magnetisierungsverlust erleiden. Chemische Eigenschaften/Korrosionsbeständigkeit Seltenerdmagnete weisen metallischen Werkstoffen entsprechende Eigenschaften auf, z. B. den typischen Glanz unmittelbar nach der Bearbeitung. Saure Umgebungsbedingungen führen zur Auflösung, gegenüber alkalischen Medien sind die Magnete weitgehend resistent. SmCo- und Sm2Co17-Magnete Vollständig aus stabilen intermetallischen Phasenanteilen bestehend, verhalten sich diese Magnete bei geringen Temperaturen relativ beständig gegen Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Laugen, Schmiermittel und neutrale Schadgase. Säuren und Salzlösungen greifen die Magnete allerdings an. Sm2Co17 ist im Gegensatz zu SmCo eisenhaltig und kann Rotrost bilden. Samarium-Cobalt-Magnete sind für die meisten Anwendungen ungeschützt einsetzbar. Durch metallische Beschichtungen oder Kunststoffbeschichtungen kann jedoch die chemische Beständigkeit verbessert werden. NdFeB-Magnete Die Mikrostruktur von gesinterten NdFeB-Werkstoffen ist gekennzeichnet durch Nd 2 Fe 14 B-Körner als magnetische Hauptphase und intermetallische Korngrenzphase. Bei herkömmlichen NdFeB-Werkstoffen besteht die Korngrenzphase aus freiem Neodym. Wie nahezu alle Seltenerdmetalle ist auch Neodym extrem korrosionsanfällig und bildet spontan unter Volumenzunahme pulverförmiges Neodymoxid oder -hydroxid. Bei unseren NdFeB-Werkstoffen wird dieses freie Neodym so weit wie möglich durch eine stabile intermetallische Phase ersetzt (=korrosionsstabilisiert). Dadurch sinkt die Korrosionsanfälligkeit der Werkstoffe deutlich. Lösen sich die herkömmlichen, nicht stabilisierten NdFeB-Werkstoffe bei Feuchteinwirkung in kurzer Zeit auf (Pulverisierung), so zeigen korrosionsstabilisierte NdFeB-Werkstoffe außerordentlich gute Korrosionsbeständigkeiten. Das Verhalten des Werkstoffes in feuchter Umgebung kann in einem so genannten Autoklav untersucht werden (siehe Vergleich des Korrosionsverhaltens im Autoklav). Da die Substitution des freien Neodyms durch eine stabile intermetallische Phase auch Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften hat, können hochkoerzitive NdFeB-Werkstoffe besser vor Korrosion geschützt werden als hochremanente. NdFeB ist prinzipiell gegen die meisten Lösungsmittel relativ stabil, auf Salze und Säuren reagiert es stark korrodierend. Wasserstoff versprödet den Werkstoff. NdFeB ist eisenhaltig und kann Rotrost bilden. Die Reaktion läuft spontan unter Wärmeentwicklung und starker Volumenzunahme ab. Die magnetischen Eigenschaften gehen verloren. Die korrosionsstabilisierten NdFeB-Magnete sind für viele Anwendungen ungeschützt einsetzbar. Durch metallische Beschichtungen oder Kunststoffbeschichtungen kann die chemische Beständigkeit verbessert werden. Vergleich des Korrosionsverhaltens im Autoklav Im Autoklav werden Seltenerdmagnete bei +121 C, 2,0 bar Absolutdruck und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit getestet. Flächenverlust in mg/cm 2 0,01 0,10 1,00 10,00 100, , Tage Kurve 1: Konventionelles NdFeB löst sich innerhalb weniger Tage vollständig auf. Kurve 2: Bei korrosionsstabilisierten NdFeB-Magneten ist der Verlauf der Korrosionskurve nach der anfänglichen minimalen Oberflächenkorrosion stabil. Kein weiterer Materialverlust kann beobachtet werden. Das Material hat einen passivierenden Charakter und zeigt langfristig ein ähnliches Verhalten wie Sm2Co17, das als korrosionsbeständiges Material bekannt ist. Kurve 3: Sm2Co17 weist im Autoklav nur minimalste Oberflächenkorrosion auf. >> Nähere Details finden Sie unter dem Stichwort Beschichtungen in den technischen Informationen auf Seite 66/67. Kurve 2: korrosionsstabiles hochkoerzitives NdFeB 180/220 w NdFeB 210/220 h Kurve 1: konventionelles NdFeB Kurve 3: Sm2Co17 19/160 h

7 24 Seltenerdmagnete Werkstoffdaten SmCo 140/17 w SmCo 140/17 w 160/17 h Magnetische Werte nach DIN IEC Energieprodukt (B H) max. kj/m 3 kj/m C Remanenz B r Koeff. von B r 1) -0,042-0,042 H cb Koerzitiv- H cb SmCo 160/17 h feldstärke H c H cj H cj Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec. -0,2-0,2 1,03 1,03 Curie- Temperatur C C Max. Betriebstemperatur C Magnetisierungsfeldstärke >3000 >3000 Dichte g/cm 3 8,3 8,3 Härte Vickers HV Elastizitätsmodul 10 3 N/mm Druckfestigkeit N/mm Biegefestigkeit N/mm Längenausdehn.- Koeffizient q. V. 2) i. V. 3) 10-6 /K 12, 7 12, 7 Spez. elektr. Widerstand 10-6 Ωm 0, 0, Spez. Wärmekapazität J/(kg K) Wärmeleitfähigkeit W/mk 12 12

8 Seltenerdmagnete 2 Werkstoffdaten Sm2Co17 180/160 w 180/160 w 19/160 h Sm2Co C Magnetische Werte nach DIN IEC kj/m 3 Energieprodukt kj/m 3 (B H) max Remanenz B r -0,032-0,032 1) Koeff. von B r H cb Sm2Co17 19/160 h H cb H cj Koerzitivfeldstärke H c H cj -0,19-0,19 1,04 1,04 Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec. 200 C C C Curie- Temperatur Max. Betriebstemperatur Magnetisierungsfeldstärke 8,3 8,3 g/cm 3 Dichte HV Härte Vickers N/mm N/mm 2 Druckfestigkeit N/mm 2 Biegefestigkeit ,7-0,9 0,7-0, /K 10-6 Ωm J/(kg K) W/mk q. V. 2) i. V. 3) Elastizitätsmodul Längenausdehn.- Koeffizient Spez. elektr. Widerstand Spez. Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit 1) Im Temperaturbereich von bis 200 C. 2) q. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 3) i. V. = in Vorzugsrichtung. Download >>

9 26 Seltenerdmagnete Werkstoffdaten 180/20 w 180/220 w 200/220 w 180/20 NdFeB 180/20 w w NdFeB * Magnetische Werte nach DIN IEC Energieprodukt (B H) max. kj/m 3 kj/m C Remanenz B r Koeff. von B r 1) -0,08-0,08-0,08 H cb Koerzitiv- H cb /220 NdFeB 180/220 w w feldstärke H c H cj H cj Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec. 2) -0, -0, -0, 1,1 1,1 1,1 200 C Curie- Temperatur Max. Betriebstemperatur C C Magnetisierungsfeldstärke ~2000 ~2000 ~2000 Dichte g/cm 3 7,6 7,6 7,6 Härte Vickers HV Elastizitätsmodul 10 3 N/mm Druckfestigkeit N/mm /220 NdFeB 200/220 w w Biegefestigkeit N/mm Längenausdehn.- Koeffizient q. V. 3) i. V. 4) 10-6 /K Spez. elektr. Widerstand Spez. Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit 10-6 Ωm J/(kg K) W/mk 1,6 1,6 1, C

10 Seltenerdmagnete 27 Werkstoffdaten NdFeB 210/20 h 210/20 h 210/220 h 230/220 h 200 C NdFeB * Magnetische Werte nach DIN IEC kj/m 3 Energieprodukt kj/m 3 (B H) max Remanenz B r -0,08-0,08-0,08 1) Koeff. von B r H cb NdFeB 210/220 h H cb H cj Koerzitivfeldstärke H c H cj 200 C -0, -0, -0, 1,1 1,1 1, ) C Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec. Curie- Temperatur C Max. Betriebstemperatur ~2000 ~2000 ~2000 Magnetisierungsfeldstärke 7,6 7,6 7,6 g/cm 3 Dichte HV Härte Vickers N/mm 2 Elastizitätsmodul NdFeB 230/220 h N/mm 2 Druckfestigkeit N/mm 2 Biegefestigkeit 10-6 /K q. V. 3) i. V. 4) Längenausdehn.- Koeffizient 200 C 1,6 1,6 1, Ωm J/(kg K) W/mk Spez. elektr. Widerstand Spez. Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit 1) Im Temperaturbereich von bis. 2) Zu höheren Temperaturen wird der Temperaturkoeffizient betragsmäßig kleiner. 3) q. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 4) i. V. = in Vorzugsrichtung. *Lizenzgeber NEOMAX Co. Ltd. Download >>

11 28 Seltenerdmagnete Werkstoffdaten 230/17 w 20/12 w 230/17 NdFeB 230/17 w w NdFeB * Magnetische Werte nach DIN IEC Energieprodukt (B H) max. kj/m 3 kj/m Remanenz B r Koeff. von B r 1) -0,09-0,10 H cb Koerzitiv- H cb /12 NdFeB 20/12 w w feldstärke H c H cj H cj Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec. 2) -0,6-0,6 1,1 1,1 Curie- Temperatur Max. Betriebstemperatur C C Magnetisierungsfeldstärke ~2400 ~2400 Dichte g/cm 3 7,6 7, Härte Vickers HV Druckfestigkeit 10 3 N/mm 2 N/mm Biegefestigkeit Elastizitätsmodul Längenausdehn.- Koeffizient Spez. elektr. Widerstand Spez. Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit N/mm 2 q. V. 3) i. V. 4) 10-6 /K 10-6 Ωm J/(kg K) W/mk ,6 1,

12 Seltenerdmagnete 29 Werkstoffdaten NdFeB 20/17 h 20/17 h 270/12 h 300/12 h NdFeB * Magnetische Werte nach DIN IEC kj/m 3 Energieprodukt kj/m 3 (B H) max Remanenz B r -0,09-0,10-0,10 1) Koeff. von B r H cb NdFeB 270/12 h H cb H cj Koerzitivfeldstärke H c ,6-0,6-0,6 1,1 1,1 1,1 H cj 2) Koeff. von H cj Relative permanente Permeabilität µ rec C Curie- Temperatur C Max. Betriebstemperatur ~2400 ~2400 ~2400 Magnetisierungsfeldstärke 7,6 7, 7, g/cm 3 Dichte HV Härte Vickers N/mm 2 Elastizitätsmodul NdFeB 300/12 h N/mm 2 Druckfestigkeit N/mm /K q. V. 3) i. V. 4) Biegefestigkeit Längenausdehn.- Koeffizient 1,6 1,6 1, Ωm Spez. elektr. Widerstand J/(kg K) Spez. Wärmekapazität W/mk Wärmeleitfähigkeit 1) Im Temperaturbereich von bis. 2) Zu höheren Temperaturen wird der Temperaturkoeffizient betragsmäßig kleiner. 3) q. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 4) i. V. = in Vorzugsrichtung. *Lizenzgeber NEOMAX Co. Ltd. Download >>