Samarium und Supermagnete

Wenn Sie Musik hören, haben Sie möglicherweise einen Samariumwerkstoff an ihren Ohren - genauer gesagt einen Samarium-Kobalt-Magneten. Für die Magnete in Kopfhörern (Abb. 1) müssen hartmagnetische Werkstoffe verwendet werden, die sich durch eine hohe Koerzitivfeldstärke auszeichnen. So wird die magnetische Feldstärke bezeichnet, die notwendig ist, einen Magneten vollständig zu entmagnetisieren. Je höher die Koerzitivfeldstärke ist, desto besser behält ein Magnet seine Magnetisierung, wenn er einem Gegenfeld ausgesetzt wird. Sehr hohe Stärken werden mit einem neuen Werkstofftyp, den SE-Kobalt-Magneten erzielt; dabei steht SE für die als „Seltene Erden“ genannten chemischen Elemente. Samarium-Kobalt-Werkstoffe gehören zu den besten dieser Klasse. Es gibt zwei Legierungstypen: SmCo5 mit 36% Samarium und Sm2Co17 mit 25% Samarium, die teilweise auch Eisen und Kupfer enthält.

                    

                     Abb.1 Verschiedene Kopfhörer  

Samarium ist das 62. Element in dem chemischen Periodensystem. Das Metall wurde nach dem Mineral Samarskit genannt, das seinerseits nach seinem Entdecker dem russischen Geologen W. Samarski genannt worden ist. Die Dichte von Samarium beträgt 7,5g/cm³ und es ist elementar paramagnetisch. Erst seine intermetallischen Verbindungen mit Kobalt bzw. mit Eisen haben starke magnetische Eigenschaften. Zu finden ist Samarium praktisch im Mineral Monazit, das jedoch nur ca.2,5 % des Metalls enthält und dessen Fördermenge gering ist. Somit ist Samarium selten und teuer. Monazit baut in seinem Kristallgitter viele Elemente, die zu den Seltenen Erden gehören (Cer, Neodym, Lanthan u.a.). Das Mineral ist eine wahre Grube dieser Elemente.

Samarium-Kobalt-Magnete besitzen eine sehr hohe magnetische Feldstärke von etwa 2200 kA/m. Dadurch wird die häufig angestrebte Miniaturisierung in der Bauform (z. B. bei den Ohrkopfhörern) ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Werkstoffe ist deren gute Temperaturbeständigkeit. Die mögliche Einsatztemperatur für SmCo-Magnete liegt zwischen 250 °C und 300 °C. Von der magnetischen Seite sind Neodym-Eisen-Bor-Magnete heute die stärksten aber Samarium-Kobalt-Magnete funktionieren auch noch bei höheren Temperaturen, bei denen die Neodym-Magnete den Dienst einstellen. Samarium-Kobalt-Werkstoffe sind anisotrop und lassen sich demnach ausschließlich in der magnetischen Vorzugsrichtung magnetisieren. Die magnetische Stabilität bei Temperaturänderungen ist sehr gut.

Samarium-Kobalt-Magnete sind, bedingt durch ihre chemische Zusammensetzung, chemisch beständig insbesondere in organischen Medien. Wegen der ausgeprägten Affinität des Samariums zu Sauerstoff und seiner generell großen Bindungsfreudigkeit neigen jedoch diese Werkstoffe bei höheren Temperaturen zur Oxidation. Auf Grund der sehr hohen Koerzitivfeldstärke sind Magnete aus Samarium außerordentlich widerstandsfähig gegen Entmagnetisierung und halten auch extremen elektromagnetischen Gegenfeldern stand. Sie sind sehr hart und leider auch sehr spröde. Die Magnete müssen also sehr vorsichtig gehandhabt werden.

Die Herstellung der Magnete erfolgt sintertechnisch. Das Pulver wird aus fertigen Samarium-Kobalt-Legierungen durch Vermahlen gewonnen und danach in Pulverpressen unter Anlegen eines Magnetfeldes zu so genannten Grünlingen gepresst. Diese Grünlinge werden je nach Werkstoffsorte bei unterschiedlich hohen Temperaturen im Vakuum oder unter Schutzgas gesintert. Das Sintern der Magnete erfolgt unter Vakuum oder Schutzgas bei Temperaturen zwischen 1100° - 1200 °C. Die Sinterdichten liegen bei 8,2-8,5 g/cm³. Dabei erreicht man zwischen 96% und 99 % der theoretischen Dichte. Zur optimalen Ausbildung der magnetischen Eigenschaften werden die Rohmagnete anschließend zwischen 500° - 900 C° warmbehandelt. Wie bei allen Magnetwerkstoffen sind auch Samarium-Kobalt-Magneten die magnetischen Eigenschaften von der Temperatur abhängig. Dabei werden innerhalb des Einsatztemperaturbereichs nach einem Temperaturzyklus die ursprünglichen Werte weitgehend wieder erreicht, die Änderungen sind reversibel. Als weitere Fertigungsschritte schließen sich dann die Bearbeitung, Schleifen und Einbau ins System an.

Samarium-Kobalt-Magnete haben ein breites Einsatzgebiet. Kopfhörer und Lautsprecher bilden dabei eine eher kleine Gruppe. Bevorzugter Einsatz finden sie in Minimotoren. Sie werden auch in der Raumfahrt und Kernspintomographie genutzt. Eine ganz besondere Verwendung finden die Samarium-Kobalt Magnetwerkstoffe im Magnetschmuck, insbesondre in Armreifen und- bänder, in die bis zu 14 solche Magnete eingearbeitet werden können. Magnetschmuck erfreut sich gegenwärtig einer immer größeren Beliebtheit, da es dem Magneten heilende Kräfte nachgesagt werden.

Ein Nachteil dieser Werkstoffe ist deren hoher Preis sowie komplizierte Verarbeitung. Deswegen finden wir diese einzigartigen Materialien nicht in jedem Kopfhörer. Ob Ihre Kopfhörer einen Samarium-Kobalt-Magneten enthalten, hängt vom Modell und Hersteller ab. Daher weist ihr Einsatz auf eine gute Qualität der Kopfhörer hin. Also mit Samarium ist der Klang richtig gut. <<