Kunststoffgebundene Magnete

30
Kunststoffgebundene
Magnete
Historie
Entwicklung kunststoffgebundener, gespritzter
Hartferritmagnete: Ende der 50er Jahre
Einsatz: Anfang der 60er Jahre
Entwicklung kunststoffgebundener, gespritzter
NdFeB-Magnete: Mitte der 80er Jahre
Einsatz: Ende der 80er Jahre
Produktionsbeginn bei Magnetfabrik Schramberg
1985
Compound-Aufbereitung
Die kunststoffgebundenen, gespritzten Magnete
bestehen aus den Komponenten Magnetpulver (siehe Hartferrit-/Seltenerdmagnete) und thermoplastische Kunststoffe (Matrixmaterial PA 6, PA 11, PA 12,
PPS). Kunststoffgranulat und das Magnetpulver werden im Heißkneter oder Doppelschneckenextruder
compoundiert und anschließend granuliert.
Werkstoffart
Verbundwerkstoff
Herstellungsverfahren
Spritzgießprozess
Wann eingesetzt bzw. prägnante Eigenschaften
Bei der Herstellung von kunststoffgebundenen,
gespritzten Magneten hat man ähnliche Gestaltungsmöglichkeiten wie bei der Herstellung von
technischen Kunststoffteilen. Eine zusätzliche
mechanische Bearbeitung der gespritzten Teile ist
im Normalfall nicht notwendig.
31
32 Kunststoffgebundene Magnete
Magnetpulver
Der Weg vom Rohstoff
zum Magneten
Kunststoff
Warenausgangskontrolle
In immer mehr Produkten kommen kunststoffgebundene Magnete zum Einsatz. Bei ihrer Fertigung
bettet man Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver
in Kunststoffen ein. Dazu werden die Magnetpulver
zunächst auf speziellen Anlagen mit dem Kunststoff
vermischt, damit sie sich anschließend pressen oder
auf modifizierten Spritzgussmaschinen verarbeiten
lassen. Bei diesen Verfahren werden sehr enge Toleranzen erreicht, so dass eine Nachbearbeitung normalerweise nicht erforderlich ist.
Magnetisieren, Markieren, Beschichten
nach Kundenwunsch
Kunststoffgebundene Magnete 33
Rohstoffeingangsprüfung
Mischen
Compoundieren
Spritzgießen ohne Magnetfeld
Spritzgießen mit Magnetfeld
Pressen ohne Magnetfeld
34 Kunststoffgebundene Magnete
Magnetische Kenndaten im Vergleich
800
700
NdFeB 72/70 pw
NdFeB 65/64 pw
NdFeB 55/100 pw
Remanenz Br [mT] (Mittelwerte)
600
Sm2Co17 45/100 p
NdFeB 42/60 p
NdFeB 37/60 p
500
NdFeB 40/100 p
NdFeB 35/100 p
400
Sm2Co17 18/100 p
300
HF 16/19 p
HF 14/19 p
HF 14/23 p
HF 12/22 p
HF 9/19 p
200
HF 3/18 p
100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Koerzitivfeldstärke HcJ [kA/m] (Mittelwerte)
Bei kunststoffgebundenen Magneten unterscheidet man, abgeleitet vom Herstellungsverfahren, zwei Hauptgruppen.
Gepresste Magnete (pw):
Gespritzte Magnete (p):
• Isotrope NdFeB-Magnete
• Isotrope Hartferritmagnete
• Anisotrope Hartferritmagnete
• Isotrope NdFeB-Magnete
• Isotrope SmCo-Magnete
• Anisotrope SmCo-Magnete
1600
1700
1800
Kunststoffgebundene Magnete 35
Wissenswertes
Herstellung von kunststoffgebundenen, gepressten
Formgebungsmöglichkeiten bei kunststoffgebundenen,
NdFeB-Magneten
gepressten NdFeB-Magneten
Kunststoffgebundene NdFeB-Magnete werden axial in Werkzeugen
Im Unterschied zu gesinterten Magneten sind bei kunststoffgebun-
gepresst. Als Kunststoff wird Epoxydharz verwendet. Durch den sehr
denen, gepressten Magneten bereits wesentlich filigranere Geome-
hohen Füllgrad (97 % NdFeB-Pulver) lassen sich dabei gegenüber
trien herstellbar. So können z. B. dünnwandige Ringe mit Ø 20 x Ø 17
kunststoffgebundenen, gespritzten Magneten deutlich höhere mag-
x 5 mm und Durchmesser-Toleranzen von lediglich ca. ±0,1 mm gefer-
netische Werte erzielen. Die Werkzeuge sind gegenüber Werkzeugen
tigt werden. In der Regel ist danach keine mechanische Bearbeitung
gespritzter Magnete einfacher und preisgünstiger.
mehr erforderlich. Bei besonders hohen Anforderungen können die
Magnete allerdings auch auf engere Toleranzen geschliffen werden.
36 Kunststoffgebundene Magnete
Wissenswertes
Herstellung von kunststoffgebundenen, gespritzten Magneten
Formgebungsmöglichkeiten bei kunststoffgebundenen, gespritzten
Gespritzte Magnete sind typische Verbundwerkstoffe, die durch Ein-
Magneten
bettung von Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver in thermoplas-
Einer der wesentlichen Vorzüge kunststoffgebundener, gespritzter
tischen Kunststoffen (Matrixmaterial PA 6, PA 11, PA 12, PPS) entste-
Magnete ist die enorme Formgebungsvielfalt, die das Spritzgussver-
hen. Dabei bestimmen die Mengenanteile des Magnetpulvers die
fahren eröffnet, denn im Prinzip sind ähnliche Geometrien wie beim
magnetischen und mechanischen Eigenschaften.
Herstellen von technischen Kunststoffteilen realisierbar. Darüber
Im Fertigungsprozess stellt man zunächst das Magnetcompound her.
hinaus macht der hohe Füllgrad (50 - 70 Vol.-%) und der damit ver-
Dazu werden das Kunststoffgranulat und das Magnetpulver im Heiß-
bundene geringe Schwund sehr enge Toleranzen im Vergleich mit
kneter oder Doppelschneckenextruder gemischt und anschließend
normalen Kunststoffteilen möglich.
extrudiert sowie granuliert. Als nächster Schritt folgt die Verarbeitung des Compounds auf modifizierten Spritzgussmaschinen.
Beim Spritzgießen von anisotropen Magneten wird während des Einspritzens zusätzlich ein Magnetfeld in axialer, radialer, diametraler
oder multipolarer Richtung angelegt und die Vorzugsrichtung des
Magnetwerkstoffes parallel zur vorgegebenen Orientierung erzeugt.
Bei kunststoffgebundenen, gespritzten Magneten ist in der Regel keine mechanische Bearbeitung des fertigen Spritzteils mehr erforderlich.
Kunststoffgebundene Magnete 37
Wissenswertes
Hybridmaterialien
Temperaturverhalten
Bei gespritzten NdFeB-Magneten liegt die Remanenz zwischen 470
Abhängig vom verwendeten Magnetmaterial bewirken Tempera-
und 550 mT, bei gespritzten Hartferritmagneten zwischen 140 und
tureinflüsse auch bei kunststoffgebundenen Magneten ein verän-
295 mT. Der Bereich zwischen 295 und 470 mT lässt sich durch
dertes magnetisches Verhalten (siehe Temperaturverhalten bei Hart-
Mischen von Neodym- und Hartferritpulver abdecken. Durch die Ein-
ferrit- und Seltenerdmagneten).
sparung von NdFeB-Pulver kann dies eine wirtschaftliche Variante
bei hohem Magnetvolumen und großen Stückzahlen sein.
Chemische Eigenschaften/Korrosionsbeständigkeit
Die chemische Beständigkeit kunststoffgebundener Magnete wird,
Matrixmaterial
wie allgemein bei Verbundwerkstoffen, sowohl von der Kunststoff-
Als Kunststoffmatrix in gespritzten Magneten finden hauptsächlich
matrix als auch vom magnetischen Füllstoff bestimmt. Durch den
Polyamide (PA 6, PA 11, PA 12) Verwendung, mit denen maximale Dau-
hohen das Magnetmaterial umgebenden Kunststoffanteil (ca. 30 -
ergebrauchstemperaturen zwischen ca. 120 °C für PA 11, PA 12 und ca.
50 Vol.-%) werden die Magnetpartikel gespritzter Magnete zusätz-
130 °C für PA 6 erreicht werden. Für höhere Dauergebrauchstempera-
lich geschützt. Eventuell auftretende Oberflächenkorrosion dringt
turen bis 200 °C steht mit Polyphenylensulfid (PPS) als Trägermaterial
nur in sehr geringem Ausmaß in den Magnetkörper ein.
ein hochtemperaturbeständiger Werkstoff zur Verfügung. Bei in Werk-
Gepresste Magnete weisen einen Kunststoffanteil von ca. 10 - 20 Vol.-%
zeug gepressten NdFeB-Magneten kommen Epoxydharze zum Einsatz.
auf und können, im Gegensatz zu kunststoffgebundenen, gespritzten Magneten, nicht als dichte Körper hergestellt werden. Zwar über-
Mechanische Eigenschaften
zieht das Harz die magnetischen Partikel, doch bei korrosiven Bedin-
Kunststoffgebundene Magnete sind gegenüber gesinterten Mag-
gungen bieten sie mehr Angriffsfläche als gespritzte Magnete.
neten deutlich elastischer, erreichen aufgrund der hohen Füllgrade
Für gespritzte Hartferrit- und Samarium-Cobalt-Magnete wird der-
jedoch nicht die mechanischen Eigenschaften technischer Kunst-
selbe Ausgangswerkstoff verwendet wie für entsprechend gesinter-
stoffe. So ist es z. B. möglich, Verzahnungen direkt aus kunststoffge-
te Magnete. Die Korrosionsbeständigkeit ist somit vergleichbar.
bundenem Magnetmaterial zu spritzen. Allerdings können solche
Allerdings sollte man hierbei beachten, dass unter aggressiven Umge-
Verzahnungen nur bei geringen Belastungen angewendet werden,
bungsbedingungen auch das Matrixmaterial angegriffen werden
da die Gleiteigenschaften in der Verzahnung im Vergleich zu unge-
kann.
füllten Kunststoffen deutlich ungünstiger sind.
Bei kunststoffgebundenen NdFeB-Magneten kommt ein spezielles
Magnetpulver zum Einsatz, wodurch das korrosionsempfindliche,
Magnetische Kenndaten
freie Neodym nur in geringen Anteilen auftritt. Der metallische Anteil
Angelehnt an die DIN IEC 60404-8-1 sind die magnetischen Kenn-
der Magnete ist somit deutlich korrosionsbeständiger als der ver-
daten auf den Seiten 38 - 43 in Diagramm- und Tabellenform zusam-
gleichbare gesinterte Werkstoff.
mengefasst. Die bei kunststoffgebundenen Magneten möglichen
Ob kunststoffgebunden gepresst oder gespritzt, in den allermeisten
maximalen Einsatztemperaturen variieren, abhängig von Magnet-
Fällen sind die Magnete ungeschützt einsetzbar. Bei kritischen Anwen-
material und Matrixmaterial, zwischen + 120 °C und + 200 °C.
dungen lässt sich die chemische Eigenschaft bzw. Korrosionsbestän-
Alle angegebenen Werte wurden an Standardproben gemäß IEC
digkeit durch eine Kunststoffbeschichtung zusätzlich verbessern.
60404-5 ermittelt. Bei ungünstigen Geometrien, besonders bei dün-
>> Hinweis: Alle Werkstoffdaten beziehen sich auf eine Magnetgröße von ca. 20 mm
nen Wandstärken oder engen Polteilungen, können durch zu schnel-
Durchmesser und 8 mm Höhe sowie ein ausreichend großes Ausricht-Magnetfeld. Bei
le Erstarrungsvorgänge oder zu geringe Ausrichtfeldstärken Abwei-
abweichenden Geometrien, vor allem bei dünnen Wandstärken und kleinen Aus-
chungen von den Werkstoffdaten auftreten.
richtfeldern, ergeben sich geringere magnetische Eigenschaften.
38 Kunststoffgebundene Magnete
Werkstoffdaten
72/70 pw
isotrop, gepresst
65/64 pw
isotrop, gepresst
NdFeB
isotrop, gepresst
55/100 pw
NdFeB 55/100 pw
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
typ.
kJ/m3
65
72
80
min.
kJ/m3
55
65
72
typ.
mT
620
650
700
min.
mT
580
610
660
ca.1)
%/K
-0,12
-0,10
-0,10
HcB typ.
kA/m
400
420
470
HcB min.
kA/m
380
360
440
HcJ typ.
kA/m
1100
740
770
HcJ min.
kA/m
1000
640
700
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
ca.
%/K
-0,4
-0,4
-0,4
Relative permanente Permeabilität µrec.
ca.
1,15
1,15
1,2
CurieTemperatur
ca.
310
310
310
Max. Betriebstemperatur
ca.
°C
Magnetisierungsfeldstärke
min.
Dichte
ca.
Energieprodukt
(B·H)max.
Remanenz
Br
Revers. Temp.Koeff. von Br
Koerzitivfeldstärke Hc
°C
-40 °C
20 °C
100 °C
NdFeB 65/64 pw
-40 °C
130
120
130
kA/m
>3200
>2800
>2800
g/cm3
6
6
6
20 °C
100 °C
NdFeB 72/70 pw
-40 °C
1) Im
Temperaturbereich von 20 °C bis 100 °C.
20 °C
100 °C
Kunststoffgebundene Magnete 39
Werkstoffdaten
45/100 p
anisotrop, gespritzt
18/100 p
isotrop, gespritzt
Sm2Co17 18/100 p
Sm2Co17
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
-40 °C
20 °C
100 °C
20 °C
54
kJ/m3
typ.
18
45
kJ/m3
min.
340
540
mT
typ.
320
520
mT
min.
-0,032
-0,032
%/K
ca.
240
390
kA/m
HcB typ.
210
350
kA/m
HcB min.
1400
1300
kA/m
HcJ typ.
1000
1000
kA/m
HcJ min.
-0,19
-0,19
%/K
ca.
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
1,2
1,1
ca.
Relative permanente Permeabilität µrec.
720
720
°C
ca.
CurieTemperatur
130
130
°C
ca.
Max. Betriebstemperatur
>4500
>4500
kA/m
min.
Magnetisierungsfeldstärke
6
6
g/cm3
ca.
Dichte
150 °C
Sm2Co17 45/100 p
-40 °C
20
100 °C 150 °C
Download >> www.magnete.de
Energieprodukt
(B·H)max.
Remanenz
Br
Revers. Temp.Koeff. von Br
Koerzitivfeldstärke Hc
40 Kunststoffgebundene Magnete
Werkstoffdaten
HF 12/22 p
anisotrop, gespritzt
HF 9/19 p
anisotrop, gespritzt
HF 3/18 p
Hartferrit
isotrop, gespritzt
HF 3/18 p
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
Energieprodukt
(B·H)max.
typ.
kJ/m3
3,5
9,2
13,0
min.
kJ/m3
3,0
9,0
12,0
-40 °C
20 °C
typ.
mT
140
220
255
min.
mT
135
215
250
ca.
%/K
-0,19
-0,19
-0,19
HcB typ.
kA/m
90
150
180
HcB min.
kA/m
85
145
170
HcJ typ.
kA/m
180
200
240
HcJ min.
kA/m
175
190
220
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
ca.
%/K
+0,3
+0,3
+0,3
Relative permanente Permeabilität µrec.
ca.
CurieTemperatur
ca.
Max. Betriebstemperatur
Dichte
Remanenz
Br
Revers. Temp.Koeff. von Br
100 °C
HF 9/19 p
Koerzitivfeldstärke Hc
-40 °C
20 °C
1,05
1,05
1,05
°C
450
450
450
ca.
°C
1301)
1301)
1301)
ca.
g/cm3
3,3
3,3
3,4
100 °C
HF 12/22 p
-40 °C
20 °C
100 °C
1) Auf
Anforderung auch bis 200 °C möglich.
Kunststoffgebundene Magnete 41
Werkstoffdaten
HF 16/19 p
anisotrop, gespritzt
HF 14/23 p
anisotrop, gespritzt
HF 14/19 p
-40 °C
anisotrop, gespritzt
HF 14/19 p
Hartferrit
20 °C
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
100 °C
16,0
16,0
17,0
kJ/m3
typ.
14,0
14,0
16,0
kJ/m3
min.
285
285
295
mT
typ.
Energieprodukt
(B·H)max.
Remanenz
Br
270
270
285
mT
min.
-0,19
-0,19
-0,19
%/K
ca.
190
200
190
kA/m
HcB typ.
170
180
180
kA/m
HcB min.
220
250
200
kA/m
HcJ typ.
190
230
190
kA/m
HcJ min.
+0,3
+0,3
+0,3
%/K
ca.
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
1,05
1,05
1,05
ca.
Relative permanente Permeabilität µrec.
450
450
450
°C
ca.
CurieTemperatur
130
130
130
°C
ca.
Max. Betriebstemperatur
3,6
3,6
3,7
g/cm3
ca.
Dichte
Revers. Temp.Koeff. von Br
HF 14/23 p
-40 °C
20 °C
100 °C
HF 16/19 p
-40 °C
20 °C
100 °C
Download >> www.magnete.de
Koerzitivfeldstärke Hc
42 Kunststoffgebundene Magnete
Werkstoffdaten
40/100 p
isotrop, gespritzt
35/100 p
NdFeB
isotrop, gespritzt
NdFeB 35/100 p
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
typ.
kJ/m3
37
41
min.
kJ/m3
35
40
typ.
mT
470
500
min.
mT
450
490
ca.
%/K
-0,11
-0,11
HcB typ.
kA/m
330
340
HcB min.
kA/m
300
320
HcJ typ.
kA/m
1100
1100
HcJ min.
kA/m
1000
1000
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
ca.
%/K
-0,4
-0,4
Relative permanente Permeabilität µrec.
ca.
1,15
1,15
CurieTemperatur
ca.
310
310
Max. Betriebstemperatur
ca.
°C
Magnetisierungsfeldstärke
min.
Dichte
ca.
Energieprodukt
(B·H)max.
Remanenz
Br
Revers. Temp.Koeff. von Br
Koerzitivfeldstärke Hc
-40 °C
°C
130
kA/m
>3200
>3200
g/cm3
4,8
5
100 °C
NdFeB 40/100 p
-40 °C
130
20 °C
20 °C
100 °C
Kunststoffgebundene Magnete 43
Werkstoffdaten
42/60 p
isotrop, gespritzt
37/60 p
isotrop, gespritzt
NdFeB 37/60 p
NdFeB
Magnetische Werte nach DIN IEC 60404-8-1
-40 °C
20 °C
100 °C
NdFeB 42/60 p
-40 °C
20 °C
100 °C
40
43
kJ/m3
typ.
37
42
kJ/m3
min.
500
530
mT
typ.
480
520
mT
min.
-0,09
-0,09
%/K
ca.
330
340
kA/m
HcB typ.
300
310
kA/m
HcB min.
700
700
kA/m
HcJ typ.
600
600
kA/m
HcJ min.
-0,4
-0,4
%/K
ca.
Revers. Temp.Koeff. von HcJ
1,15
1,15
ca.
Relative permanente Permeabilität µrec.
310
310
°C
ca.
CurieTemperatur
120
120
°C
ca.
Max. Betriebstemperatur
>2800
>2800
kA/m
min.
Magnetisierungsfeldstärke
5
5
g/cm3
ca.
Dichte
Download >> www.magnete.de
Energieprodukt
(B·H)max.
Remanenz
Br
Revers. Temp.Koeff. von Br
Koerzitivfeldstärke Hc