Seltenerdmagnete
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Seltenerdmagnete
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. 19 20 Seltenerdmagnete Legierung Der Weg vom Rohstoff zum Magneten 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 Oberfläche bearbeiten lassen sie sich z. B. durch Schleifen mit Diamant- (Schleifen/Sägen) werkzeugen weiterbearbeiten. Sintern Seltenerdmagnete 21 Rohstoffeingangsprüfung Brechen/Sieben Mahlen Mischen Isostatisches Pressen Axial- und Querfeldpressen mit Magnetfeld 22 Seltenerdmagnete Magnetische Kenndaten im Vergleich 1400 NdFeB 300/125 h 1300 NdFeB 270/125 h NdFeB 250/175 h Remanenz Br [mT] (Mittelwerte) NdFeB 250/125 w 1200 NdFeB 230/175 w NdFeB 230/220 h 1100 Sm2Co17 195/160 h NdFeB 210/220 h NdFeB 200/220 w Sm2Co17 180/160 w NdFeB 180/220 w NdFeB 210/250 h NdFeB 180/250 w 1000 SmCo5 160/175 h 900 SmCo5 140/175 w 800 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 Koerzitivfeldstärke HcJ [kA/m] (Mittelwerte) Formgebungsmöglichkeiten Magnetische Kenndaten Ring-, Rund-, Segment- und Vierkantmagnete sind die gebräuchlichs- Die maximalen Einsatztemperaturen für NdFeB-Magnete variieren ten Formen presstechnisch hergestellter Dauermagnete. Darüber zwischen 130 °C und 220 °C, bei SmCo-Magneten zwischen 250 °C hinaus können auch Sonderformen hergestellt werden – am besten und 350 °C. Die kompletten magnetischen Kenndaten, gemessen schon beim Pressen, da eine nachträgliche Formgebung (mit Boh- nach IEC 60404-5, sind auf den Seiten 24 - 27 in Diagramm- und Tabel- rungen, Fasen, Kerben, Senkungen usw.) nur durch aufwändige Bear- lenform zusammengefasst. Abhängig von Form und Abmessung kön- beitungsverfahren mit Diamantwerkzeugen möglich ist. Dabei ist zu nen Abweichungen auftreten. beachten, dass diese nur in Pressrichtung hergestellt werden können. Da bei anisotropen Magneten die Magnetisierungsrichtung der Axial, im Querfeld (diametral) und isostatisch gepresste Magnete Pressrichtung entspricht, können Bohrungen, Fasen, Kerben, Sen- Seltenerdmagnete werden entweder aus isostatisch gepressten Roh- kungen usw. auch nur in Magnetisierungsrichtung angebracht wer- magneten geschnitten bzw. im Querfeld (h-Material) oder im Axial- den. feld (w-Material) gepresst. Die unterschiedlichen Herstellungsarten >> Nähere Details finden Sie unter dem Stichwort „Typische Magnetformen“ in den technischen Informationen auf Seite 60. wirken sich auf die magnetischen Eigenschaften aus. So weisen die h-Materialien eine etwas höhere Remanenz (Br) auf. Die Koerzitivfeldstärke (HcJ) ist identisch. Im Allgemeinen erfüllen jedoch die im Mechanische Eigenschaften Axialfeld gepressten Typen die gestellten Anforderungen und kön- Als typische Sintermetalle reagieren Seltenerdmagnete spröde gegen nen bei größeren Stückzahlen kostengünstiger hergestellt werden. Schlag- und Biegebelastung, wobei Sm2Co17 die höchste Sprödigkeit aufweist. Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Trennen sind Temperaturverhalten wegen der spezifischen Härte nur mit Diamantwerkzeugen möglich. Unter Temperatureinflüssen zeigen Seltenerdmagnete ein verän- Bearbeitungsverfahren wie Erodieren oder Wasserstrahlschneiden dertes magnetisches Verhalten. Die Remanenz und die Koerzitiv- sind ebenfalls möglich. feldstärke sinken mit steigender Temperatur und steigen mit fallen- Seltenerdmagnete 23 Wissenswertes der Temperatur (Temperaturkoeffizienten siehe Tabellen). Die Pro- untersucht werden (siehe Vergleich des Korrosionsverhaltens im Auto- zesse sind reversibel. Durch die Reduzierung der Koerzitivfeldstärke klav). Da die Substitution des freien Neodyms durch eine stabile inter- bei hohen Temperaturen können Magnete mit tiefliegendem Arbeits- metallische Phase auch Auswirkungen auf die magnetischen Eigen- punkt und/oder magnetischen Gegenfeldern einen bleibenden schaften hat, können hochkoerzitive NdFeB-Werkstoffe besser vor Magnetisierungsverlust erleiden. Korrosion geschützt werden als hochremanente. NdFeB ist prinzipiell gegen die meisten Lösungsmittel relativ stabil, Chemische Eigenschaften/Korrosionsbeständigkeit auf Salze und Säuren reagiert es stark korrodierend. Wasserstoff ver- Seltenerdmagnete weisen metallischen Werkstoffen entsprechen- sprödet den Werkstoff. NdFeB ist eisenhaltig und kann Rotrost bil- de Eigenschaften auf, z. B. den typischen Glanz unmittelbar nach der den. Die Reaktion läuft spontan unter Wärmeentwicklung und star- Bearbeitung. Saure Umgebungsbedingungen führen zur Auflösung, ker Volumenzunahme ab. Die magnetischen Eigenschaften gehen gegenüber alkalischen Medien sind die Magnete weitgehend resis- verloren. tent. Die korrosionsstabilisierten NdFeB-Magnete sind für viele Anwendungen ungeschützt einsetzbar. Durch metallische Beschichtungen SmCo5- und Sm2Co17-Magnete oder Kunststoffbeschichtungen kann die chemische Beständigkeit Vollständig aus stabilen intermetallischen Phasenanteilen beste- verbessert werden. hend, verhalten sich diese Magnete bei geringen Temperaturen relaVergleich des Korrosionsverhaltens im Autoklav mittel und neutrale Schadgase. Säuren und Salzlösungen greifen die Im Autoklav werden Seltenerdmagnete bei +121 °C, 2,05 bar Absolut- Magnete allerdings an. Sm2Co17 ist im Gegensatz zu SmCo5 eisen- druck und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit getestet. haltig 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. Flächenverlust in mg/cm2 tiv beständig gegen Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Laugen, Schmier- 0,01 0,10 Kurve 3: Sm2Co17 195/160 h 1,00 Kurve 2: korrosionsstabiles hochkoerzitives 10,00 NdFeB 180/220 w – NdFeB 210/220 h NdFeB-Magnete Die Mikrostruktur von gesinterten NdFeB-Werkstoffen ist gekennzeich- 100,00 net durch Nd2Fe14B-Körner als magnetische Hauptphase und inter- 1000,00 metallische Korngrenzphase. Bei herkömmlichen NdFeB-Werkstoffen Kurve 1: konventionelles NdFeB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tage besteht die Korngrenzphase aus freiem Neodym. Wie nahezu alle Kurve 1: Konventionelles NdFeB löst sich innerhalb weniger Tage voll- Seltenerdmetalle ist auch Neodym extrem korrosionsanfällig und bil- ständig auf. det spontan unter Volumenzunahme pulverförmiges Neodymoxid Kurve 2: Bei korrosionsstabilisierten NdFeB-Magneten ist der Ver- oder -hydroxid. lauf der Korrosionskurve nach der anfänglichen minimalen Oberflä- Bei unseren NdFeB-Werkstoffen wird dieses freie Neodym so weit chenkorrosion stabil. Kein weiterer Materialverlust kann beobachtet wie möglich durch eine stabile intermetallische Phase ersetzt (=kor- werden. Das Material hat einen passivierenden Charakter und zeigt rosionsstabilisiert). Dadurch sinkt die Korrosionsanfälligkeit der Werk- langfristig ein ähnliches Verhalten wie Sm2Co17, das als korrosions- stoffe deutlich. Lösen sich die herkömmlichen, nicht stabilisierten beständiges Material bekannt ist. NdFeB-Werkstoffe bei Feuchteinwirkung in kurzer Zeit auf (Pulveri- Kurve 3: Sm2Co17 weist im Autoklav nur minimalste Oberflächen- sierung), so zeigen korrosionsstabilisierte NdFeB-Werkstoffe außer- korrosion auf. ordentlich gute Korrosionsbeständigkeiten. Das Verhalten des Werkstoffes in feuchter Umgebung kann in einem so genannten Autoklav >> Nähere Details finden Sie unter dem Stichwort „Beschichtungen“ in den technischen Informationen auf Seite 66/67. 24 Seltenerdmagnete Werkstoffdaten anisotrop 160/175 h SmCo5 anisotrop 140/175 w SmCo5 140/175 w -40 °C Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 20 °C typ. kJ/m3 155 170 min. kJ/m3 140 160 typ. mT 880 925 min. mT 850 900 ca.1) %/K -0,042 -0,042 HcB typ. kA/m 690 710 HcB min. kA/m 640 680 HcJ typ. kA/m 2000 2000 HcJ min. kA/m 1750 1750 Revers. Temp.Koeff. von HcJ ca. %/K -0,25 -0,25 Relative permanente Permeabilität µrec. ca. 1,03 1,03 CurieTemperatur ca. °C 720 720 Max. Betriebstemperatur ca. °C 250 250 Magnetisierungsfeldstärke min. kA/m >3000 >3000 Dichte ca. g/cm3 8,3 8,3 Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br Koerzitivfeldstärke Hc 200 °C SmCo5 160/175 h -40 °C 20 °C 100 °C Härte Vickers HV 540-560 540-560 Elastizitätsmodul ca. 103 N/mm2 100-200 100-200 Druckfestigkeit ca. N/mm2 900 900 Biegefestigkeit ca. N/mm2 120 120 ca. 10-6/K 12,5 7 12,5 7 Längenausdehn.Koeffizient 100 °C V.2) q. i. V.3) Spez. elektr. Widerstand ca. 10-6 Ωm 0,5 0,5 Spez. Wärmekapazität ca. J/(kg·K) 370 370 Wärmeleitfähigkeit ca. W/mk 12 12 200 °C Seltenerdmagnete 25 Werkstoffdaten anisotrop 195/160 h anisotrop 180/160 w Sm2Co17 180/160 w Sm2Co17 -40 °C Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 20 °C 100 °C 200 °C 220 kJ/m3 typ. 180 195 kJ/m3 min. 1040 1100 mT typ. 980 1040 mT min. -0,032 -0,032 %/K ca.1) 750 800 kA/m HcB typ. 700 720 kA/m HcB min. 1800 1800 kA/m HcJ typ. 1600 1600 kA/m HcJ min. -0,19 -0,19 %/K ca. Revers. Temp.Koeff. von HcJ 1,04 1,04 ca. Relative permanente Permeabilität µrec. 800 800 °C ca. CurieTemperatur 350 350 °C ca. Max. Betriebstemperatur 4300 4300 kA/m min. Magnetisierungsfeldstärke 8,3 8,3 g/cm3 ca. Dichte 600 600 HV Härte Vickers 150 150 103 N/mm2 ca. Elastizitätsmodul 800 800 N/mm2 ca. Druckfestigkeit 150 150 N/mm2 ca. 200 Sm2Co17 195/160 h -40 °C 20 °C Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br 100 °C 200 °C Koerzitivfeldstärke Hc Biegefestigkeit V.2) Längenausdehn.Koeffizient 11 8 11 8 0,75-0,9 0,75-0,9 10-6 Ωm ca. Spez. elektr. Widerstand 340 340 J/(kg·K) ca. Spez. Wärmekapazität 10-13 10-13 W/mk ca. Wärmeleitfähigkeit 1) Im Temperaturbereich von 20 °C bis 200 °C. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 3) i. V. = in Vorzugsrichtung. 2) q. Download >> www.magnete.de ca. 10-6/K q. i. V.3) 26 Seltenerdmagnete 180/250 NdFeB 180/250 w w anisotrop 200/220 w anisotrop 180/220 w anisotrop 180/250 w Werkstoffdaten -40 °C 20 °C 150 °C 20 °C 150 °C 20 °C 150 °C NdFeB* typ. kJ/m3 210 160 210 155 230 180 min. kJ/m3 180 130 180 130 200 150 typ. mT 1050 920 1040 920 1110 970 min. mT 1000 880 980 860 1050 940 ca.1) %/K -0,08 HcB typ. kA/m 790 680 790 680 850 740 HcB min. kA/m 720 610 720 600 790 680 HcJ typ. kA/m 2800 1300 2500 900 2500 1000 HcJ min. kA/m 2500 1050 2200 770 2200 800 Revers. Temp.Koeff. von HcJ ca.2) %/K -0,5 Relative permanente Permeabilität µrec. ca. 1,1 1,1 1,1 CurieTemperatur ca. °C 350 350 350 Max. Betriebstemperatur ca. °C 220 190 190 Magnetisierungsfeldstärke min. kA/m ~2000 ~2000 ~2000 Dichte ca. 7,6 7,6 560-580 560-580 ca. 103 N/mm2 150 150 150 Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 20 °C 100 °C 150 °C Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br Koerzitivfeldstärke Hc -0,08 -0,5 -0,5 20 °C g/cm3 7,6 HV 560-580 Druckfestigkeit ca. N/mm2 1000 1000 1000 Biegefestigkeit ca. N/mm2 250 250 250 ca. 10-6/K -1 5 -1 5 -1 5 10-6 Ωm 1,6 1,6 1,6 Längenausdehn.Koeffizient 180/220 NdFeB 180/220 w w -40 °C Härte Vickers Elastizitätsmodul -0,08 200 °C V.3) q. i. V.4) Spez. elektr. Widerstand ca. Spez. Wärmekapazität ca. Wärmeleitfähigkeit ca. 100 °C 150 °C 200 °C 200/220 NdFeB 200/220 w w -40 °C 20 °C 100 °C J/(kg·K) 440 440 440 150 °C 200 °C W/mk 8 8 8 Seltenerdmagnete 27 anisotrop 230/220 h anisotrop anisotrop 210/250 h NdFeB 210/250 h 210/220 h Werkstoffdaten 150 °C 20 °C 150 °C 200 °C 20 °C 150 °C 150 °C 100 °C 20 °C -40 °C 20 °C 240 190 240 190 255 200 -40 °C 20 °C 100 °C Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 kJ/m3 typ. kJ/m3 min. 210 160 210 160 230 175 1110 980 1115 980 1160 1020 mT typ. 1050 940 1050 940 1100 970 mT min. %/K ca.1) -0,08 NdFeB 210/220 h NdFeB* -0,08 -0,08 Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br 860 750 860 750 890 780 kA/m HcB typ. 800 690 800 690 840 730 kA/m HcB min. 2800 1300 2500 900 2500 1000 kA/m HcJ typ. 2500 1050 2200 770 2200 800 kA/m HcJ min. %/K ca.2) Revers. Temp.Koeff. von HcJ ca. Relative permanente Permeabilität µrec. -0,5 -0,5 -0,5 1,1 1,1 1,1 350 350 350 °C ca. CurieTemperatur 220 190 190 °C ca. Max. Betriebstemperatur ~2000 ~2000 ~2000 kA/m min. Magnetisierungsfeldstärke 7,6 7,6 7,6 g/cm3 ca. Dichte 560-580 560-580 560-580 150 150 1000 250 150 °C 200 °C NdFeB 230/220 h -40 °C 20 °C 100 °C Koerzitivfeldstärke Hc HV Härte Vickers 150 103 N/mm2 ca. Elastizitätsmodul 1000 1000 N/mm2 ca. Druckfestigkeit 250 250 N/mm2 ca. Biegefestigkeit V.3) Längenausdehn.Koeffizient -1 5 -1 5 -1 5 ca. 10-6/K 1,6 1,6 1,6 10-6 Ωm ca. Spez. elektr. Widerstand 440 440 440 J/(kg·K) ca. Spez. Wärmekapazität 8 8 8 W/mk ca. Wärmeleitfähigkeit q. i. V.4) 150 °C 200 °C 1) Im Temperaturbereich von 20 °C bis 100 °C. höheren Temperaturen wird der Temperaturkoeffizient betragsmäßig kleiner. 3) q. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 4) i. V. = in Vorzugsrichtung. *Lizenzgeber NEOMAX Co. Ltd. 2) Zu Download >> www.magnete.de 28 Seltenerdmagnete 230/175 NdFeB 230/175 w w anisotrop 250/125 w anisotrop 230/175 w Werkstoffdaten -40 °C 20 °C 150 °C 20 °C 100 °C NdFeB* typ. kJ/m3 260 190 280 220 min. kJ/m3 230 165 250 190 typ. mT 1190 1020 1230 1100 min. mT 1130 970 1170 1060 ca.1) %/K -0,09 HcB typ. kA/m 890 620 890 750 HcB min. kA/m 840 480 840 650 HcJ typ. kA/m 1900 650 1400 800 HcJ min. kA/m 1750 500 1250 700 Revers. Temp.Koeff. von HcJ ca.2) %/K -0,6 Relative permanente Permeabilität µrec. ca. CurieTemperatur ca. Max. Betriebstemperatur Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 20 °C 100 °C 150 °C Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br Koerzitivfeldstärke Hc -0,10 250/125 NdFeB 250/125 w w -40 °C -0,6 100 °C 1,1 1,1 °C 340 330 ca. °C 160 130 Magnetisierungsfeldstärke min. kA/m ~2400 ~2400 Dichte ca. g/cm3 7,6 7,5 560-580 560-580 Härte Vickers HV Elastizitätsmodul ca. 103 N/mm2 150 150 Druckfestigkeit ca. N/mm2 1000 1000 Biegefestigkeit ca. N/mm2 250 250 ca. 10-6/K -1 5 -1 5 Längenausdehn.Koeffizient V.3) q. i. V.4) 20 °C Spez. elektr. Widerstand ca. 10-6 Ωm 1,6 1,6 Spez. Wärmekapazität ca. J/(kg·K) 440 440 Wärmeleitfähigkeit ca. W/mk 8 8 Seltenerdmagnete 29 anisotrop 300/125 h 20 °C anisotrop -40 °C anisotrop 250/175 h NdFeB 250/175 h 270/125 h Werkstoffdaten 150 °C 20 °C 100 °C 20 °C 100 °C 150 °C 20 °C 100 °C 295 200 300 230 330 260 -40 °C Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1 kJ/m3 typ. kJ/m3 min. 250 175 270 200 300 240 1240 1050 1280 1150 1320 1185 mT typ. 1180 1000 1220 1110 1260 1160 mT min. -0,09 NdFeB 270/125 h NdFeB* -0,10 -0,10 %/K ca.1) Energieprodukt (B·H)max. Remanenz Br Revers. Temp.Koeff. von Br 920 620 920 700 950 650 kA/m HcB typ. 860 480 870 600 900 540 kA/m HcB min. 1900 650 1400 780 1400 700 kA/m HcJ typ. 1750 500 1250 680 1250 550 kA/m HcJ min. %/K ca.2) Revers. Temp.Koeff. von HcJ ca. Relative permanente Permeabilität µrec. Koerzitivfeldstärke Hc 20 °C 100 °C NdFeB 300/125 h -40 °C 20 °C 100 °C -0,6 -0,6 -0,6 1,1 1,1 1,1 340 330 330 °C ca. CurieTemperatur 160 130 130 °C ca. Max. Betriebstemperatur ~2400 ~2400 ~2400 kA/m min. Magnetisierungsfeldstärke 7,6 7,5 7,5 g/cm3 ca. Dichte 560-580 560-580 560-580 150 150 1000 250 HV Härte Vickers 150 103 N/mm2 ca. Elastizitätsmodul 1000 1000 N/mm2 ca. Druckfestigkeit 250 250 N/mm2 ca. Biegefestigkeit V.3) Längenausdehn.Koeffizient -1 5 -1 5 -1 5 ca. 10-6/K 1,6 1,6 1,6 10-6 Ωm ca. Spez. elektr. Widerstand 440 440 440 J/(kg·K) ca. Spez. Wärmekapazität 8 8 8 W/mk ca. Wärmeleitfähigkeit 1) Im q. i. V.4) Temperaturbereich von 20 °C bis 100 °C. höheren Temperaturen wird der Temperaturkoeffizient betragsmäßig kleiner. 3) q. V. = quer zur Vorzugsrichtung. 4) i. V. = in Vorzugsrichtung. *Lizenzgeber NEOMAX Co. Ltd. 2) Zu Download >> www.magnete.de