Wie werden Magnete hergestellt?
Magnete gibt es in verschiedenen Größen. Am gebräuchlichsten sind die kleinen Magnete, die an der Vorderseite eines Kühlschranks angebracht werden können, um Fotos oder Nachrichten aufzunehmen. Für die Herstellung eines Magneten werden spezielle Rohstoffe und Produktionsanlagen benötigt, die beide für die Produktion erforderlich sind. Die Herstellung von Neodym-Magneten ist ein sehr teures Unterfangen. Für ihre Herstellung werden Neodym und andere Formen seltener Erden benötigt, die hauptsächlich aus China bezogen werden können. Aus diesem Grund ist China der wichtigste Lieferant von Neodym-Magneten und der größte Hersteller von Neodym-Magneten.
Seltenerdmetalle
Neodym ist ein chemisches Element, das zur Gruppe der Lanthanide gehört. Lanthanoide werden häufig auch als Seltenerdmetalle bezeichnet. Es glänzt ähnlich wie Silber und nimmt an der Luft einen Farbton zwischen Rosa und Violett an. Magnete aus Neodym werden aus einer Legierung hergestellt, die aus Neodym, Eisen, Bor und einigen weiteren Elementen besteht. Die chemische Zusammensetzung der Legierung wird mit dem Symbol NdFeB bezeichnet. Die Entdeckung der NdFeB-Legierung Anfang der 1980er Jahre führte zu einer Vielzahl von bis dahin unvorstellbaren Möglichkeiten für die Herstellung von Magneten. Seitdem sind die Neodym-Magnete durch die Forschung sowie die Entwicklung neuer chemischer Formulierungen und Produktionstechniken etwas leistungsfähiger geworden.
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Legierung
Magnete aus Neodym bestehen aus drei Komponenten: dem Metall Neodym, dem Element Eisen und dem Element Bor. Die Legierung NdFeB wird hergestellt, indem diese Komponenten zunächst zu einem feinen Pulver gemahlen und dann zusammengeschmolzen werden. Nachdem die Legierung kurz einem Magnetfeld ausgesetzt wurde, wird sie zu quader- oder zylinderförmigen Rohlingen verarbeitet. Danach wird der Rohling erhitzt, wodurch er stabiler wird. Das Verfahren wird als Sintern bezeichnet. Dadurch wird die Kristallstruktur der Legierung einzigartig. 3. Nach dem Sintern werden die Rohlinge durch Sägen und Drehen in die entsprechende endgültige Form gebracht, z.B. zu einem Ring, einem Stab oder einem Quader.
Rohstoffvorkommen
In China befindet sich das größte Neodym-Rohstoffvorkommen der Welt, aus dem das Element auch gewonnen wird. Neodym wird zunächst in einem mehrstufigen Verfahren aus dem Erz gewonnen, bevor es für die Herstellung von Magneten verwendet werden kann. Danach werden Elemente wie Eisen und Bor sowie einige andere Bestandteile zu einer Legierung zusammengeschmolzen. Das Mischungsverhältnis kann sich auf die Korrosionsbeständigkeit des Endprodukts sowie auf die Betriebstemperatur auswirken.
Neodym-Magnete
Die Herstellung von Neodym-Eisen-Bor-Magneten, oft auch als NdFeB bezeichnet, ist ein arbeitsintensiver Prozess, der mit vielen Herausforderungen verbunden ist. Dank der verschiedenen Forschungsverfahren, die zur Herstellung dieser Legierung führten und 1984 begannen, werden seit diesem Jahr Neodym-Magnete mit verbesserter Leistung hergestellt.
Zusammensetzung
Während des Herstellungsprozesses werden die drei Bestandteile – Eisen, Neodym und Bor – stark zerkleinert, bevor sie im Vakuum geschmolzen werden. Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung wird mit der Bezeichnung NdFeb angegeben.
Magnetisierung
Während des Prozesses werden die drei Komponenten magnetisiert und komprimiert, bis sie eine geradlinige Struktur bilden, die oft die Form eines Würfels oder Zylinders hat. Nachdem sie diese Phase erreicht haben, müssen sie im Vakuum erhitzt werden, damit sie rechtzeitig abkühlen können. Danach beginnt die Legierung, eine kristallinere Struktur zu entwickeln, was die weitere Magnetisierung erleichtert. In diesem Moment werden die gewünschten Größen hergestellt. Der unbeschichtete Magnet, auch Rohmagnet genannt, wird nun mit Kupfer und Nickel beschichtet, damit er nicht so schnell rostet und eine festere Oberfläche erhält.
Hochfrequenzerwärmung
Um eine Legierung zu erzeugen, werden Neodym, Eisen und Bor jeweils mit einem bestimmten Gewicht versehen, bevor sie in einen Vakuuminduktionsofen gegeben werden. Bestimmten Arten von Magneten können weitere Elemente wie Kobalt, Kupfer, Gadolinium und Dysprosium zugesetzt werden. Diese Zusätze hängen von der Art des Magneten ab. Durch diese Modifikationen können bestimmte Eigenschaften (z.B. Korrosionsbeständigkeit) verbessert werden. Das Schmelzen dieser Kombination erfolgt durch die Anwendung von Hochfrequenzerwärmung. Die Qualität des Neodym-Magneten und seine Eigenschaften hängen direkt von der Zusammensetzung dieser Kombination ab. Jeder Hersteller hat seine eigene Geheimformel für die Herstellung der verschiedenen Magnetarten.
Stufen der Magnetherstellung
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Zerkleinerung und Pressen
Da das Werkstück beim anschließenden Sinterprozess verkleinert wird, ist das Presswerkzeug etwas größer als die endgültige Form des Neodym-Magneten ausgelegt. Die Form wird mit einem Magnetfeld beaufschlagt, das die Zerkleinerung des Neodym-Pulvers bewirkt. Beim axialen Pressen wird das Magnetfeld quer zur Verdichtung angelegt, während beim transversalen Pressen das Magnetfeld parallel zur Verdichtung angelegt wird. Axiales Pressen ist weniger verbreitet.
Flüssigkeitsbehälter
Nachdem das NdFeB-Pulver in eine Gummiform gepresst wurde, wird es in einen großen Flüssigkeitsbehälter gegeben und unter Druck gesetzt.
Magnetisierungsfeld
Auch hier wird ein Magnetisierungsfeld von außen eingesetzt, aber diesmal wird das Pulver von allen Seiten zerkleinert.
Effekte
Die besten magnetischen Effekte lassen sich beim isostatischen Pressen erzielen. Ein Entmagnetisierungsimpuls wird auf den NdFeB-Magneten angewendet, kurz bevor er aus der Presse entnommen werden kann.
Permanentmagnet
Ein Magnet, der aus einem einzigen Stück eines hartmagnetischen Materials, wie einer Legierung aus Eisen, Kobalt, Nickel oder einem bestimmten Ferrit, hergestellt wird, wird als Dauermagnet bezeichnet. Ein Permanentmagnet wird auch als Dauermagnet bezeichnet. Er benötigt im Gegensatz zu Elektromagneten keine elektrische Energie, um das Magnetfeld, das er besitzt, konstant zu halten. Auf der Oberfläche von Dauermagneten gibt es mindestens einen Nordpol und einen oder mehrere Südpole.
Kohlenstoffgehalt
Durch Anlegen eines Magnetfeldes an ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Material, das eine großflächige Hysteresekurve aufweist, entsteht ein Dauermagnet (sogenanntes hartmagnetisches Material). Die frühen magnetischen Werkstoffe auf Eisenbasis haben zu den Begriffen hartmagnetisch und weichmagnetisch geführt. Harter Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt kann dauermagnetisch gemacht werden, während Eisen mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt (Weicheisen) fast nie dauermagnetisch gemacht werden kann und sich daher besser für die Herstellung von Eisenkernen für Elektromagnete eignet. Die Entmagnetisierung eines Dauermagneten kann durch Erhitzen, Zusammenstöße oder das Abklingen eines magnetischen Wechselfeldes erreicht werden.
Fazit
Die Magnetisierung tritt auf, wenn sich die Primärmagnete in einem ferromagnetischen Material als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ausrichten. Bei der Verwendung hartmagnetischer Werkstoffe kann sichergestellt werden, dass die Werkstoffe ihre Magnetisierung auch nach dem Abschalten des Magnetfelds beibehalten und kein elektrischer Strom durch sie fließt, wenn die Temperatur unter der Höchsttemperatur liegt, bei der das Gerät arbeiten kann. Das Endprodukt ist ein Magnet, der dauerhaft ist.
