Magnetwerkstoffe spielen heute nahezu in allen Bereichen der Technik - insbesondere innerhalb der Elektrotechnik - eine wichtige Rolle. Zudem bestimmen sie die Leistungsfähigkeit und Effizienz verschiedenster elektrischer Systeme.
Physikalisch gesehen gehören technische Magnetwerkstoffe zu den ferromagnetischen Stoffen. Nach ihren magnetischen Eigenschaften werden sie in weichmagnetische und hartmagnetische Werkstoffe eingeteilt. Diese grobe Einteilung erfolgt nach der Koerzitivfeldstärke. Das ist die magnetische Feldstärke, die an einen Magneten angelegt werden muss, um seine Magnetisierung vollständig aufzuheben. Nach ihrer chemischen Stoffklasse unterscheiden wir metallische und oxidische Magnetwerkstoffe. Zwei der typischen Anwendungen von Magnetwerkstoffen zeigt Abb. 1.
Abb. 1 Anwendungsbeispiele für Magnetwerkstoffe a) Transformator aus Elektroblech, b) Kopfhörer mit einem Nickel-Eisen-Magneten
Weichmagnetische Werkstoffe
Weichmagnetische Materialien reagieren flexibel auf äußerliche Magnetfelder, also sind leicht zu magnetisieren und ebenso leicht zu entmagnetisieren. Diese Eigenschaften werden durch hohe Permeabilität und geringe Koerzitivfeldstärke gekennzeichnet. Daher werden solche Werkstoffe in allen Bereichen der Nachrichtentechnik als Übertragerkerne, Magnetköpfe, Speicherkerne usw. eingesetzt. In der Energietechnik dienen sie als Kernmaterial für Transformatoren, Drosselspulen, Schaltrelais und andere Bauteile.
Bei Stählen haben kaltgewalzte Bleche mit Zusätzen von 2 bis 3% Silizium und ausgeprägter Textur (sog. Elektrobleche) die besten weichmagnetischen Eigenschaften. Durch ihren Einsatz können beispielsweise bei Transformatoren (Abb. 1a) Wirbelströme verhindert werden. Legierungen auf Nickelbasis mit dem Namen “Permalloy” bilden eine Werkstoffgruppe mit der höchsten Permeabilität, von der ihr Name rührt. Eine typische Legierung dieser Gruppe enthält 79% Nickel und 21% Eisen. Sie werden u.a. zu elektromagnetischer Abschirmung verwendet, beispielsweise in Kopfhörer (Abb.1 b). Weichmagnetische Eigenschaften besitzen auch oxidische Ferrite (nicht zu verwechseln mit dem Ferrit, einem Gefügebestandteil von Stahl) und amorphe Metalle.
Hartmagnetische Werkstoffe
Hartmagnetische Werkstoffe behalten ihre Magnetisierung auch ohne ein externes Feld dienen zur Anfertigung von Dauermagneten, die in Motoren, Messsystemen, Lautsprechen usw. eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch hohe Koerzitivfeldstärken aus. Je höher die Koerzitivfeldstärke ist, desto besser behält ein Magnet seine Magnetisierung, wenn er einem Gegenfeld ausgesetzt wird.
Stähle mit feinem martensitischem Gefüge sind hartmagnetisch und lassen sich trotz ihrer Härte ganz gut umformen. Weitere Gruppe in diesem Bereich bilden Werkstoffe, die unter der Kurzbezeichnung AlNiCo bekannt sind. Diese Bezeichnung weist auf die Zusammensetzung aus Aluminium, Nickel und Kobalt hin. Diese spröden Werkstoffe müssen gieß- oder pulvertechnisch hergestellt werden. Zu den preiswerten Dauermagneten gehören hexagonale oxidkeramische Ferrite. Die beiden wichtigsten Werkstoffe dieser Gruppe sind Barium- und Strontiumferrit.
Supermagnete
Zwei Legierungstypen gehören heute zu den besten Supermagneten: Neodym-Eisen-Bor-Legierungen und Samarium-Kobalt- Legierungen. Ein Nachteil dieser Werkstoffe ist deren hoher Preis sowie komplizierte Verarbeitung.
Allgemein handelt sich hierbei um hartmagnetische Werkstoffe, die sich durch hohe Koerzitivfeldstärken auszeichnen, sind also schwer zu entmagnetisieren. Sie dienen zur Anfertigung von Dauermagneten, die in Motoren, Messsystemen, Lautsprechern usw. eingesetzt werden. Auf Grund ihrer sehr hohen Koerzitivfeldstärke sind Supermagnete 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 Supermagnete erfolgt sintertechnisch. Das Pulver wird aus fertigen 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 hohen Temperaturen. Dabei erreicht man bis zu 99 % der theoretischen Dichte. Zur optimalen Ausbildung der magnetischen Eigenschaften werden die Rohmagnete anschließend zwischen 500° - 900 C° warmbehandelt. Wie bei allen Magnetwerkstoffen sind die magnetischen Eigenschaften der Supermagnete von der Temperatur abhängig. Dabei werden innerhalb des Einsatztemperaturbereichs nach einem Temperaturzyklus die ursprünglichen Werte weitgehend wieder erreicht, die Änderungen sind reversibel. Als weiterer Fertigungsschritt schließt sich dann die Endbearbeitung an.
Die Supermagnete finden noch eine andere ganz besondere Verwendung nämlich als Magnetschmuck. Insbesondre in Armreifen und- bändern können bis zu 14 solche Magnete eingearbeitet werden. Magnetschmuck erfreut sich gegenwärtig einer immer größeren Beliebtheit, da es dem Supermagneten heilende Kräfte nachgesagt werden
Magnetische Hochleistungswerkstoffe sind – ob auf Nickel-Eisen-Basis, ob amorphe, nanokristalline, weich- oder hartmagnetische, Seltenerd- oder polymergebundene Werkstoffe – immer wieder der Ausgangspunkt technischer Innovationen.<<
