Die Magnettechnik ist ein hochkomplexes und weitreichendes Feld. Die Vielseitigkeit dieser Technik eröffnet uns als Hersteller zahlreiche Möglichkeiten – und fasziniert uns täglich aufs Neue. Ob bei der Materialentwicklung, den Verfahrenstechniken oder der Herstellung von Produkten, bei der Arbeit mit Magneten fallen viele Fachbegriffe, die wir Ihnen hier gerne erklären.
Der Arbeitspunkt wird durch den Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der B-Kurve definiert. Er beschreibt den Punkt auf der Entmagnetisierungskurve, der die Werte der magnetischen Flussdichte und der magnetischen Feldstärke im Arbeitszustand darstellt. Der Arbeitspunkt des Dauermagneten muss unter Berücksichtigung von Temperatureinflüssen (Temperaturkoeffizient von Br und HCJ) und äußeren Gegenfeldern stets im geradlinigen Bereich der Entmagnetisierungskurve liegen. Verschiebt sich der Arbeitspunkt in den Bereich der Krümmung, wird der Magnet teilweise entmagnetisiert (irreversible Verluste).
Das Axialpressen gehört seit Jahrzehnten zu den dominierenden Formgebungsverfahren in der technischen Keramik und Pulvermetallurgie. Es wird besonders wirtschaftlich bei großen Stückzahlen und hoher Bauteilqualität eingesetzt. Ein hoher Automatisierungsgrad des Prozesses ist sehr gut realisierbar und führt zur Produktivitätssteigerung. Das Axialpressen wird in die Bereiche Nasspressen und Trockenpressen unterschieden. Bei Trockenpressen werden hohe Verdichtungsgrade mit hoher Teilfestigkeit im rohen Bauteilzustand (Grünling) erzielt und es können auch Pressmassen ohne bildsame Eigenschaften geformt werden. Die Grünlinge weisen sehr gute Gebrauchseigenschaften auf, wie besonders hohe Maßhaltigkeit, hohe Festigkeit und komplizierte Geometrien. Im Bereich der Magnetfertigung wird beim Pressprozess sehr oft ein Magnetfeld angelegt, um die einzelnen Pulverteilchen axial oder transversal auszurichten und somit eine hohe Anisotropie im Bauteil zu erzielen. Das Trockenpressverfahren bietet sehr hohe Wirtschaftlichkeit und Produktivität bei gleichzeitiger Einhaltung hoher Qualitätsanforderungen bis zu höchsten Stückzahlen mit relativ geringen Ausschussraten an.
In unseren Diagrammen sind Hilfslinien zur Bestimmung der Arbeitsgeraden von Rundmagneten ohne Eisenumgebung eingezeichnet. Zur Konstruktion der Arbeitsgeraden wird eine Verbindungslinie zwischen dem Nullpunkt des Diagramms und dem Faktor h:D gezeichnet. Der Faktor h:D beschreibt das Verhältnis Höhe zu Durchmesser des Magneten. Dabei ist zu beachten, dass der Winkel der Arbeitsgeraden innerhalb eines Magneten variiert, während die hier aufgeführten Diagramme lediglich Mittelwerte abbilden. Bei sehr kleinem h:D- Verhältnis (< 0,3) sollte man zudem berücksichtigen, dass der Arbeitspunkt im Zentrum des Magneten deutlich niedriger liegt.
Ferromagnetismus bezeichnet das Phänomen, dass bestimmte ferromagnetische Festkörper (abgeleitet von ferrum = Eisen) auch nach der Trennung von einem externen Magnetfeld zumindest einen Teil ihrer Magnetisierung beibehalten. Dies bedeutet auch, dass diese Materialien bereits von anderen Magneten angezogen werden und versuchen zu einem Magnetfeld zu gelangen.
Hartferritmagnete bestehen zu großen Teilen aus Eixenoxid sowie den Erdalkalien Barium- und Strontiumcarbonat. Sowohl die Erdalkalimetalle als Basis wie auch das Eisen-Sauerstoff-Gemisch stehen in großen Mengen zur Verfügung und werden beim Tagebau gewonnen. Eisenoxid fällt zudem bei der industriellen Produktion an, wo Eisenchlorid umgewandelt wird. Auch die Erdalkalimetalle werden zu den jeweiligen Carbonaten industriell umgewandelt.
Irreversible (nicht umkehrbare) Verluste treten dann auf, wenn der Arbeitspunkt außerhalb des linearen Bereiches der Entmagnetisierungskurve liegt.
Darüber hinaus entstehen irreversible Verluste durch Abweichung der Entmagnetisierungskurve vom theoretischen, linearen Verlauf. Teilweise unvermeidlich wirken sie sich bei Temperaturerhöhung oder beim Auftreten äußerer Felder aus. Durch einmalige Stabilisierungsmaßnahmen lassen sich die Magnete auf einen konstanten Wert einstellen. Allerdings muss eine damit verbundene Induktionserniedrigung in Kauf genommen werden.
Üblicherweise beträgt die Toleranz des magnetischen Flusses etwa ± 10%. Bei technisch anspruchsvollen Anwendungen ist es daher erforderlich, den magnetischen Fluss auf eine engere Toleranz einzustellen.
Die magnetische Koerzitivfeldstärke ist die Stärke, die nötig ist, um einen Dauermagneten so zu entmagnetisieren, dass dieser keinen magnetischen Fluss mehr hat. Ein vorher bis zur Sättigung magnetisierter Werkstoff hat nach dem Kontakt mit dieser magnetischen Stärke eine Flussdichte von 0. Ergänzend dazu spricht man noch von der Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation, bei der der Magnet zusätzlich seine magnetische Polarisation vollständig verliert.
Als Permeabilität (µ) - anschaulicher auch magnetische "Durchlässigkeit" oder "Leitfähigkeit" genannt - wird das Verhältnis der magnetischen Induktion (B) zum magnetischen Feld (H) bezeichnet. Im Vakuum ist es keine Konstante: µo = 1,256 mT/kA/m. In Materie ergibt sich eine materialabhängige absolute Permabilität µ = µr · µo (µr = relativer Permeabilität). Man unterscheidet dimagnetische Stoffe (µr > 1) und ferromagnetische Stoffe (µ >> 1) mit Werten zwischen 1 und über 100.000.
Die Remanenz Br [mT] ist die verbleibende Magnetisierung in einem magnetischen Werkstoff (Feldstärke H = 0 kA/m), der in einem geschlossenen Kreis bis zur Sättigung magnetisiert wurde.
⇒ Siehe Hystereseschelife (Punkt 5)
Die Remanenz ist eine der wichtigsten Kenngrößen für Magnete. Damit wird die magnetische Flussdichte ausgedrückt, die einen Körper dauerhaft durchfließt, nachdem dieser von der ursprünglichen Magnetfeldquelle getrennt wurde.
Unter der Vorzugsrichtung versteht man die Ausrichtung der Einbereichsteile in eine bestimmte Richtung. Je nach Magnettyp gelten dafür unterschiedliche Voraussetzungen.
Diejenige Richtung, in der ein Magnet seine höchsten Werte erreicht. Bei Ring- und Rundmagneten ist die Vorzugsrichtung axial oder diametral, bei Vierkantmagneten durch die Höhe h, bei Schalenmagneten (Segmenten) diametral oder radial. Die Vorzugsrichtung bei Magneten wird durch ein Verpressen des Pulvers in einem magnetischen Feld (senkrecht oder parallel zur Pressrichtung) erreicht.
Die Arbeitsgerade beschreibt die Eigenschaften des magnetischen Kreises. Ihr Winkel ist abhängig von der Magnetgeometrie und den im Magnetkreis vorhandenen weichmagnetischen Flussleitlücken.
Wird der Permanentmagnet ohne Eisenumgebung eingesetzt, hängt der Winkel der Arbeitsgeraden nur von der Magnetgeometrie ab. Bei Systemen mit weichmagnetischen Flussleitstücken ist der Winkel der Arbeitsgeraden abhängig von Verhältnis Luftspalt zur Magnetlänge. Ein von außen angelegtes Feld (Feldstärke H ≠ 0) bewirkt eine Parallelverschiebung der Arbeitsgeraden.
Maximale Temperatur, bei der ein Magnet mit einem Dimensionsverhältnis h:D ≥ 0,5 unter normalen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden darf. Bei kleinerem Dimensionsverhältnis und/oder bei magnetischen Gegenfeldern reduziert sich die Einsatztemperatur.
Unsere Anwendungstechnik unterstützt Sie gerne beider Berechnung der Einsatztemperatur.
Elektrische Ladung ist ein spezieller Fall des allgemeinen physikalischen Ladebegriffes und gilt als eine der Grundlagen der Physik. Zwischen den Ladungen wirken Kräfte, die vielerlei Auswirkungen auf die menschliche Umwelt haben. So gehen fast alle sichtbaren physikalischen Vorgänge in irgendeiner Weise auf die Wirkung von elektrischen Ladungen zurück.
Hallsensoren basieren in ihrer Funktionsweise auf dem gleichnamigen Halleffekt. Dabei wird in einem unter Strom gesetzten Leiter, in dem zugleich ein in senkrecht zur Stromrichtung magnetisches Feld wirkt, eine Spannungsdifferenz aufgebaut, die senkrecht zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien steht.
Die magnetische Koerzitivfeldstärke ist die Stärke, die nötig ist, um einen Dauermagneten so zu entmagnetisieren, dass dieser keinen magnetischen Fluss mehr hat. Ein vorher bis zur Sättigung magnetisierter Werkstoff hat nach dem Kontakt mit dieser magnetischen Stärke eine Flussdichte von 0. Ergänzend dazu spricht man noch von der Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation, bei der der Magnet zusätzlich seine magnetische Polarisation vollständig verliert.
Die Koerzitivfeldstärke HCB [kA/m] ist diejenige magnetische Feldstärke, bei der die magnetische Flussdichte eines vorher bis zur Sättigung magnetisierten ferromagnetischen Werkstoffes auf 0 zurückgeht.
⇒ siehe Hystereseschleife (Punkt 6)
Die Koerzitivfeldstärke HcJ [kA/m] ist diejenige magnetische Feldstärke, bei der die magnetische Polarisation eines vorher bis zur Sättigung magnetisierten ferromagnetischen Werkstoffes auf 0 zurückgeht.
⇒ siehe Hystereseschleife (Punkt 7)
Das Auftreten von Magnetismus ist mit bewegten elektrischen Ladungen verbunden. Sowohl durch die Bewegung der Elektronen um Atomkerne als auch durch die Eigenrotation der Elektronen (Spin) werden magnetische Momente erzeugt, die sich vektoriell zum Atommoment addieren. Ergibt sich die Summe null, bezeichnet man den Stoff als diamagnetisch. Bei para-, Ferro-, antiferro- und ferrimagnetischen Stoffen ist die Summe der Momente von null verschieden.
Magnetismus kann als eine Kraftwirkung zwischen magnetisierbaren Gegenständen aufgefasst werden. Es drückt sich in der Anziehung bzw. Abstoßung dieser Dinge aus.
Passive Deckschichten wie z.B. Zink, Chrom und Aluminium sind unedler als das Grundmetall, ziehen dem korrosiven Angriff zunächst ausschließlich auf sich und fungieren als Opferanode. Solange eine deckende Passivschicht vorhanden ist, bleibt das Grundmetall kathodisch vor Korrosion geschützt und die Funktionalität des Bauteils bleibt voll erhalten. Kleine Defekte oder kleine "offene" Stellen in der Schicht werden durch die verbleibende Opferschicht in der Nachbarschaft mit geschützt. Ist die Passivschicht weitestgehend oder flächig verbraucht, setzt Grundmetallkorrision ein.
Temperaturkoeffizienten beschreiben das temperaturabhängige Verhalten von Permanentmagneten. Der Temperaturkoeffizient der Remanenz von Hartferritmagneten liegt z. B. bei -19%/K, .h., eine Temperaturerhöhung um 1 Kelvin bewirkt eine Reduzierung der Remanenz um 0,19%. Die geringsten Temperaturkoeffizienten weisen Sm22Co17-Magnete mit -0,03%/K auf.
Machen spezielle Anforderungen besonderen Schutz erforderlich, lassen sich mit geringen Einschränkungen sämtliche Magnetwerkstoffe problemlosbeschichten. Die verschiedenen Beschichtungen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Eignung je nach Grundwerkstoff und Anwendungsfall. Eine Universalbeschichtung, die allen potentiellen Anforderungen gleichermaßen gut gewachsen ist, konnte bislang noch nicht entwickelt werden.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass eine Ni-Beschichtung einen „magnetischen Kurzschluss“ auslöst. Die magnetischen Kenndaten (Remanenz Br, das Energieprodukt (B • H)max. und die Koerzitivfeldstärke HCB) werden dadurch um bis zu 5 – 7 % reduziert.
Metallische Schichten schützen den relativ spröden Werkstoff vor Kantenverletzungen und werden im Allgemeinen galvanisch aufgebracht. Gute galvanische Schichten sind Mehrfachschichtsysteme, da sie einen höheren Schutz bieten als Einschichtsysteme. Geeignet für SmCo- und für NdFeB-Magnete, zeichnen sie sich durch eine sehr gute Schutzfunktion vor Feuchtigkeit und Dampf aus. Korrosiven Medien gegenüber sind jedoch Kunststoffbeschichtungen den metallischen Schichten normalerweise überlegen. Kleinteile werden meist als Schüttgut beschichtet, d.h. ohne Kontaktstellen ausgeführt, denn Verletzungen oder Beschädigungen an der metallischen Schicht können, außer bei Passivschichten, zu beschleunigter Korrosion führen.
Organische Beschichtungen werden nach der Beschichtungstechnologie und dem Schichtwerkstoff unterschieden. Anders als metallische Beschichtungen sind sie für alle Magnettypen geeignet. Nachteilig im Vergleich zu diesen sind die niedrigen Anwendungstemperaturen und die geringere Beständigkeit gegen Wasserdampf, von Vorteil ist die bessere Beständigkeit gegen korrosive Medien.
Die wiederstandsfähigste und gleichmäßigste Schicht ist die kathodische Tauchlackierung (KTL). Allerdings kann sie nur an leitfähigen Magneten ausgeführt werden und es verbleiben prozessbedingt kleine Kontaktstellen auf dem Magnet. Nasslackierungen und Passivlacke lassen sich auf nahezu allen Magneten aufbringen und bieten einen sehr guten Korrosionsschutz. Prozessbedingt sind jedoch größere Schichtdicken-Toleranzen notwendig. Für besondere Korrosionsanforderungen kommen auch Zweischichtsysteme aus Passivlack und Decklack in Frage. Die Teflonschicht ist wegen ihrer Prozesstemperatur von ca. 300 C° und dem vergleichsweise hohen Preis eher ein Nischenprodukt, obwohl sie höchsten Korrosionsschutz, weitgehend Chemikalienbeständigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit bietet.
Die Parylenebeschichtung - ein aus der Gasphase abgeschiedener relativ weicher Kunststoff - ist für alle Magnetwerkstoffe geeignet und bildet einen dichten, konturgetreuen und geschlossenen Überzug. Sie ist lebensmittelecht, gewährleistet wirksamen Schutz gegen Feuchtigkeit und macht die Magnete in hohem Maße gegen chemische Einflüsse beständig. Lediglich mechanischen Belastungen kann die Beschichtung nicht ausgesetzt werden.
Ferritmagnete gehören zur Materialgruppe der Oxidkeramiken. Von ihnen geht nahezu keine Gesundheitsgefährdung aus. Zu beachten ist das in einem Teil der Magnete enthaltenen Barium. Unter besonderen Bedingungen (z.B. saure Medien) können Minimalmengen dieses Stoffes ausgelöst werden. Da es sich bei Barium um ein Schwermetall handelt, ist es für bestimmte Anwendungen sinnvoll, Strontiumferritmagnete einzusetzen.
Über die Toxizität von Seltenerdmetallen und deren Verbindungen ist nur wenig bekannt. Sie galten lange als völlig ungiftig und wurden teilweise sogar in der Medizin zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Als Gefahrenquelle im Bereich der mechanischen Bearbeitung ist das Einatmen von Magnetstaub, besonders in Verbindung mit Cobalt, von Bedeutung. Durch das Einatmen der löslichen Salze als Schwebstoffe in der Luft erfolgt eine geringe Aufnahme in den Blutkreislauf. Die Resorption geringer Mengen bei Aufnahme in den Verdauungstrakt gilt dagegen als bedeutungslos. In der Trinkwasserverordnung sind keine Grenzwerte für Cobalt aufgeführt. Untersuchungen haben die weitgehende Beständigkeit von SmCo-Magneten gegenüber neutralen und alkalischen Medien gezeigt. Aufgrund des metallischen Charakters der Verbindung ist keine Säurebeständigkeit gegeben. Natürliches Samarium, ein Hauptbestandteil der SmCo-Magnete, besteht zu ca. 15 % aus dem Isotop147 Sm. Trotzdem sind äußerliche Kontakte völlig bedenkenlos. Die Bestandteile bei NdFeB-Magneten sind unbedenklich, allerdings sollte die Aufnahme von Stäuben und gelösten Bestandteilen vermieden werden.
Einfluss von radioaktiver Strahlung auf Permanentmagnete
Werden Permanentmagnete radioaktiver Strahlung ausgesetzt, können strukturelle Defekte auftreten. Dadurch werden die strukturabhängigen Eigenschaften wie Koerzitivkraft, Induktion und Remanenz direkt, intrinsische Eigenschaften wie Sättigungsmagnetisierung und Curie-Temperatur indirekt beeinflusst. Magnetisch messbare Veränderungen entstehen erst bei Erreichen einer definierten Strahlungsintensität, die von Werkstoff zu Werkstoff variieren. Liegen bisher auch noch keine verlässlichen Grenzwerte vor, so wurden in Einzelexperimenten Schädigungen bzw. Veränderungen bei starken Bestrahlungen nachgewiesen. Zum Beispiel bewirkt Strahlung im Bereich von 5,4 • 1018 thermischer und 1,2 • 1017 schneller Neutronen pro Quadratzentimeter bei 50 C° eine 3%-ige Verringerung der Sättigungsmagnetisierung bei Fe2O3, dem Grundbaustein der Hartferrite. NdFeB-Magnete weisen einen Magnetisierungsverlust von mehr als 50 % bei einer Protonenstrahlung mit einer Äquivalentbelastung von 4 • 106 rad und einen Totalverlust bei 4,5 • 107 rad auf. SmCo-Magnete zeigen signifikante Störungen erst bei 109 bis 1010 rad, wobei Sm2Co17 unempfindlicher als SmCo5 ist.
