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Neodym-Magnete: Besonderheiten, Herstellung und Verwendung
Neodym-Magnete sind die stärksten erhältlichen Permanentmagnete und können auf kleinstem Raum sehr starke Magnetfelder erzeugen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, sie in eine Vielzahl von Geräten und Anwendungen auch unter eingeschränkten Platzverhältnissen zu integrieren.
Was Neodym-Magnete so stark macht, welche Anwendungsmöglichkeiten es gibt, wie sie hergestellt werden und was bei ihrem Einsatz zu beachten ist, wird in diesem Artikel besprochen.
Was ist eigentlich Neodym?
Neodym ist ein chemisches Element, das zur Gruppe der Lanthanoide gehört. Es ist ein Seltenerdmetall und kommt in seiner natürlichen Form nur in chemischen Verbindungen und in Begleitung anderer Lanthanoide, vor allem in den Mineralen Monazit und Bastnäsit vor. Neodym kommt relativ häufig in der Erdkruste vor, die Konzentration des Elements ist jedoch meist so gering, dass ein wirtschaftlicher Abbau nicht möglich ist. Häufig wird es daher als Nebenprodukt beim Abbau stärker konzentrierter Erze gewonnen. Mit über 90% der jährlich weltweit produzierten Menge an Neodym ist China aktuell (2023) der mit Abstand wichtigste Lieferant für dieses Metall.
Neodym ist ein sehr reaktives Metall und oxidiert an der Luft. Es hat selbst eine relativ schwache Magnetkraft, erhält aber mit Eisen und Bor kombiniert eine sehr hohe Magnetisierfähigkeit.
Was ist ein Neodym-Magnet?
Neodym-Magnete sind eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung, auch als NdFeB abgekürzt. Diese Verbindungen zeichnen sich durch ihre starke Magnetkraft aus und sind derzeit das mit der höchsten Magnetkraft verfügbare Material. Teilweise werden der Legierung weitere Elemente zugefügt, um die Eigenschaften des späteren Magneten zu beeinflussen. Die Magnetkraft der jeweiligen Neodym-Magnete hängt dabei stark von ihrer Güte und Zusammensetzung ab. MISUMI unterscheidet dabei in der Regel zwischen starken Neodym-Magneten, Neodym-Magneten und hitzebeständigen Neodym-Magneten. Zu den verschiedenen in unserem Shop angebotenen Magneten und Magnettypen finden Sie die jeweilige magnetische Oberflächen-Flussdichte in Gauss (G) oder Tesla sowie deren magnetische Anziehungskraft in N in übersichtlicher Tabellenform.
Herstellung von Neodym-Magneten
Neodym-Magnete werden durch Legieren von Neodym, Eisen und Bor hergestellt, wobei die genaue Zusammensetzung sorgfältig kontrolliert wird. Die Herstellung unterteilt sich beispielhaft in folgende Schritte:
| Schritt | Beschreibung |
|---|---|
| Materialauswahl | Im ersten Schritt werden die benötigten Materialien Bor, Eisen und Neodym und ggf. weitere Legierungsbestandteile separat geschmolzen und in runde Stäbe geformt. |
| Legieren | Die Metalle für die Legierung werden ausgewählt und in einem Schmelzofen verflüssigt. Durch den Schmelzprozess können sich die Atome auf atomarer Ebene mischen. Das Mischen erfolgt z.B. durch Rühren oder Umschütten. Dabei verbinden sich die Atome der verschiedenen Metalle zu einer homogenen Legierung. Jeder Neodym-Magnet hat eine andere Zusammensetzung, z.B. Nd2Fe14B. |
| Bandgießen | Beim Bandgießen kommen die Materialien in eine große Druckgussmaschine. In dieser Maschine wird in einem Vakuuminduktionsofen die bis zu 1450 °C heiße Legierung aufgeschmolzen, unter Druck auf eine Kühltrommel geführt und dort extrem schnell heruntergekühlt. Durch das schnelle Abkühlen entstehen kleine Plättchen, welche die Basis für weitere Verarbeitungsschritte bilden. |
| Wasserstoffdekrepitation (Verspröden) | Das Material wird nun einer Wasserstoffbehandlung unterzogen. Die Einlagerung von Wasserstoff führt zur Versprödung und weiteren Verkleinerung der Legierung unter Einfluss der Wasserstoffatmosphäre. Dadurch lässt sich das Material im Mahlprozess leichter verarbeiten. |
| Mahlprozess | Anschließend wird das Gemisch unter einer Schutzatmosphäre zu einem sehr feinen, homogenen Puder gemahlen und zur Pressvorrichtung weitergeleitet. |
| Formgebungsprozess | Im Formgebungsprozess wird das Pulver in die grobe Ausgangsform (z.B. Block, Zylinder) gepresst. Hierbei wird genau darauf geachtet, dass sich nicht wieder Sauerstoff dazu mischt._x000D_ In diesem Schritt wird ein starkes Magnetfeld zum ersten Ausrichten der Partikel in Richtung des später gewünschten Magnetfeldes aufgebracht._x000D_ In einem weiteren Pressvorgang wir das Material weiter verdichtet und es entstehen, bei einem Druck von bis zu 1000 bar, die finalen Formen. In einer Ölpresse werden die Formen dann noch einmal bei bis zu 1600 bar weiter komprimiert._x000D_ Es gibt folgende Pressungsarten:_x000D_ axial: Das Material befindet sich in einem Werkzeughohlraum, wo es durch eindringende Stanzen komprimiert wird. Das magnetische Ausrichtfeld wird vor der Verdichtung parallel zu Verdichtungsrichtung aufgebracht. Beim Querpressen verläuft das Ausrichtfeld senkrecht zur Verdichtungsrichtung._x000D_ isostatisch: Das Ausrichtfeld wird an einen mit Pulver gefüllten, flexiblen Behälter angelegt. Dieser wird anschließend in die isostatische Presse eingesetzt, wo von außen z.B. durch Wasser Druck aufgebracht wird. Dadurch verdichtet sich das Material auf allen Seiten gleichmäßig._x000D_ |
| Sintern | Beim Sintern kommen die Rohlinge nun in einen Ofen und werden bei Temperaturen von 250 °C - 900 °C mehrere Stunden gesintert. Dieser Prozess kann bei Magneten der Güte N35 circa 20 Stunden und bei Magneten der Güte N52 bis zu 36 Stunden dauern._x000D_ Beim Sintern geht nahezu die gesamte Magnetkraft verloren, die Ausrichtung bleibt aber erhalten._x000D_ Durch schnelles Abkühlen nach dem Sintern werden unerwünschte Phasenbildungen vermieden und durch Temperieren Spannungen im Material abgebaut. |
| Formgebungsverfahren | Nach dem Sintern werden die Rohlinge in ihre finale Form gebracht. Zylinder werden z.B. abgeschliffen, bis sie den gewünschten Durchmesser haben. Blöcke werden auf Schleifscheiben in die richtige Form gebracht und die Oberfläche glattgeschliffen._x000D_ Die Blöcke sind sehr hart und zur Bearbeitung wird Spezialwerkzeuge benötigt. Um eine Selbstentzündung zu vermeiden, müssen außerdem die Späne und Pulver mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden._x000D_ Magnete können in den verschiedensten Varianten hergestellt werden:_x000D_ Neodym-Magnet mit Loch_x000D_ gummierte Neodym-Magnet_x000D_ rechteckige, runde, zylindrische Magnete_x000D_ selbstklebende Neodym-Magnete_x000D_ kleine und große Neodym-Magnete_x000D_ |
| Beschichtung | Es folgt die Beschichtung, damit wird der Magnet künftig vor Oxidation geschützt. Die Beschichtung kann z.B. aus Nickel- oder Epoxid sein und gibt dem Magneten ihr typisches Aussehen. |
| Magnetisierung | Im letzten Schritt wird der Magnet nun schließlich magnetisiert. Durch die Wärmebehandlung sind zu diesem Zeitpunkt nämlich keinerlei magnetische Eigenschaften mehr übrig. Zur Magnetisierung wird der Neodym-Magnet einem extrem starken, und gezielt ausgerichtetem Magnetfeld ausgesetzt. |
Nach der Magnetisierung sind die Magnete bereit für die Verwendung:
Eigenschaften von Neodym-Magneten
Neodym-Magnete haben eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften:
- Hohe Magnetkraft: Neodym-Magnete sind extrem stark.
- Kompakte Größe: Im Vergleich zu anderen Magneten können sie aufgrund ihrer hohen Magnetkraft sehr leicht und kompakt hergestellt werden.
- Miniaturisierung: Durch ihre geringe Größe bei gleicher Magnetkraft haben sie Einfluss auf die Geräte, in die sie verbaut werden. Elektronik und andere Geräte können dadurch viel kleiner gebaut werden.
- Effiziente Energieumwandlung: Sie werden z.B. in Windkraftanlagen eingesetzt, wo sie durch ihre höhere Magnetkraft und der dadurch möglichen Reduzierung der Schwungmasse die Effizienz von Elektromotoren erhöhen und so bei der Erzeugung sauberer Energie mitwirken.
- Langlebigkeit: Neodym-Magnete behalten ihre magnetischen Eigenschaften über einen langen Zeitraum bei.
Allerdings sind sie auch spröde, was sie für Zerbrechen anfällig macht. Durch das Sintern werden sie sehr hart und schwer bearbeitbar. Neodym Magnete sind stoßempfindlich und ohne Beschichtung korrosionsanfällig. Auch muss bei ihrem Einsatz auf Fremdmagnetfelder geachtet werden. Durch fremde, anders ausgerichtete Magnetfelder ist bei Neodym-Magneten ein Teil- bis Totalverlust der magnetischen Eigenschaften möglich.
Hinweise zur Anwendung
Beim Einbau von Magneten gelten folgende Vorsichtsmaßnahmen:
- Sie sind sehr zerbrechlich, d.h. es stehen keine weiteren Bearbeitungsoptionen zur Verfügung.
- Der Magnet ist stoßempfindlich und muss vorsichtig eingebaut werden.
- Magnetstrahlung kann negative Auswirkungen auf folgende Artikel haben: Elektrogeräte wie Mobiltelefone, PCs, Uhren und medizinische Geräte wie Herzschrittmacher.
- Bei Temperaturen über der maximalen Betriebstemperatur kann die Magnetkraft nachlassen.
- Starke Stöße oder Veränderungen an den Magneten können die Magnetkraft verringern. Damit es zu keiner direkten Stoßeinwirkung auf die Magnete kommt, muss ein Abstand von 0.1 ~ 0.3 mm zum Grundkörper eingehalten werden.
Einbauhinweise für Neodym-Magneten
- 1 - Werkstück
- 2 - Gehäuse
- 3 - Neodym-Magnet
Es sollte daher vorher genau geplant werden, in welcher Umgebung der Neodym-Magnet Einsatz findet und welche Personengruppen in der Nähe des Neodym-Magneten arbeiten dürfen.
Für die verschiedenen Magnete gelten als Anhaltspunkt die folgenden Temperaturbereiche:
Temperaturbereiche verschiedener Magnetzusammensetzungen
- 1 - Hochfeste Ausführung - Neodym-Magnet
- 2 - Neodym-Magnet
- 3 - Hitzebeständiger Neodym-Magnet
- 4 - Samarium-Kobalt-Magnet
- 5 - Ferrit-Magnet
- 6 - AlNiCo-Magnet (AlNiCo)
Wartung von Neodym-Magnete
Die Wartung und Pflege von Neodym-Magneten ist wichtig, um ihre Lebensdauer zu maximieren und sicherzustellen, dass sie ihre magnetischen Eigenschaften behalten. Folgende Maßnahmen verlängern die Lebensdauer des Neodym-Magnete:
- Schutz vor Stößen und mechanischer Belastung: Aufgrund ihrer spröden Struktur können Neodym-Magnete leicht brechen. Es sollte vermieden werden, sie harten Stößen auszusetzen oder sie fallen zu lassen.
- Korrosionsschutz: Durch Korrosion können Neodym-Magnete ihre Leistung verlieren. Das kann durch eine geeignete Beschichtung verhindert werden. Außerdem sollten sie an einem trockenen Ort gelagert werden.
- Schutz vor zu hohen Temperaturen: Durch hohe Temperaturen können die magnetischen Eigenschaften verloren gehen. Es sollten daher stets die Temperaturgrenzen beachtet werden. Die Lagerung sollte an einem kühlen Ort erfolgen.
- Entmagnetisierung: In Nähe zu anderen starken magnetischen Feldern können Neodym-Magnete entmagnetisieren. Sie sollten daher außerhalb der Reichweite solcher Magnetfelder verwendet oder gelagert werden.
Verwendung von Neodym-Magneten
Neodym-Magnete werden z.B. verwendet in Dauermagnet-Rotoren ( z.B. Schritt- und Servomotoren ) oder Linearmotoren für Positionierachsen wie zum Beispiel im CNC-Bereich. Nachfolgend werden einige Beispiele näher erläutert.
Neodym-Magnete in Linearmotoren
Neodym-Magnete werden unter anderem in Läufern von Linearmotoren verbaut. Sie erzeugen dort ein extrem starkes Magnetfeld. Im Stator wiederum wird ein Magnetfeld durch elektrischen Strom (Spulen) erzeugt. Durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder kommt es nun dazu, dass sich der Läufer entlang der Linie bewegt. Je nach Ausführung des Linearmotors können die Permanentmagnete aber auch auf dem Stator platziert und der Läufer mit Spulen ausgestattet sein. Das Prinzip findet generell Anwendung in vielen Motoren oder auch Generatoren. Eine Auswahl an Motoren finden Sie auch in unserem MISUMI-Shop.
Neodym-Magnete in Kupplungen und Bremsen
Durch ein Magnetfeld werden z.B. Drehmomente übertragen, ohne dass es zu einem direkten mechanischen Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen kommt. Bremsen und magnetische Kupplungen bestehen aus einem Rotor und einem Stator. Auch hier ist der Rotor wieder mit einem Neodym-Magnet ausgestattet. Die magnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern des Rotors und Stators führt dann zu unterschiedlichen Reaktionen: Bei einer Kupplung wird der Rotor mit dem Stator verbunden, bei einer Bremse drückt der Rotor gegen den Stator.
Bei MISUMI können Sie eine breite Auswahl an Neodym-Magneten aber auch anderen Magneten kaufen.
