Alnico

2 Die Dauermagnetwerkstoffe

Die gebräuchlichsten Arten von Magneten sind derzeit Hartferritmagnete, Magnete auf der Basis seltener Erden wie SmCo oder NdFeB und Magnete vom Alnico-Typ. Von diesen haben die Alnico-Magnete nur eine geringe Koerzitivkraft, was zu nichtlinearen Entmagnetisierungseigenschaften führt. Aus diesem Grund ist ihre Anwendbarkeit im Vergleich zu den beiden anderen Typen sehr begrenzt. Die Hartferrite haben höhere Koerzitivfeldstärken als die Alnico-Magnete und ihre Entmagnetisierungseigenschaften sind linear. Die Remanenz und das damit einhergehende maximale Energieprodukt sind jedoch bereits niedrig und werden durch die Bindung weiter verringert. Wegen ihrer geringen Kosten werden Ferritmagnete immer noch häufig eingesetzt, obwohl die meisten der entsprechenden Magnetvorrichtungen recht sperrig sind und oft nicht die optimale Leistung erbringen. Ferrit-Dauermagnete dominieren derzeit aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer erwiesenen Langzeitstabilität in der Automobilindustrie und vielen anderen Anwendungen (siehe Alnicos und Hexaferrite).Die auf Seltenen Erden basierenden Magnete haben hohe Koerzitivfeldstärken, die ihnen lineare Entmagnetisierungseigenschaften verleihen (siehe Seltene Erden: Materialien). Sie haben hohe Remanenzwerte und typische Werte der Energieprodukte, die in gesinterten Magneten erreicht werden, sind 150 kJ m-3 für SmCo5 und 300 kJ m-3 für Nd2Fe14B. Die erstgenannten Magnete werden häufig in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, was bei gebundenen Magneten nicht möglich ist (siehe Magnete: Hochtemperatur). Magnete vom Typ SmCo5 sind wegen des hohen Preises von Samarium und Kobalt teuer. Bei NdFeB-Magneten ist die Situation günstiger, weil Neodym billiger ist als Samarium und Eisen viel billiger als Kobalt, wobei die pulvermetallurgischen Verarbeitungsverfahren mit denen von SmCo5 vergleichbar sind. Daher ist das Verhältnis zwischen Leistung und Preis bei Nd2Fe14B besser als bei SmCo5. Aus diesem Grund hat sich der Markt für gesinterte Nd2Fe14B-Magnete gut entwickelt und wächst weiter (siehe Magnete: Gesintert). Obwohl gebundene Magnete aus allen oben genannten Werkstoffen hergestellt werden können, haben sich nur gebundene Ferritmagnete und gebundene Nd2Fe14B-Magnete in nennenswertem Umfang auf dem Markt durchgesetzt. Die Ferrite lassen sich leicht in Pulverform gewinnen (siehe Alnicos und Hexaferrite). Eine etwas spezielle Verarbeitung der Ferritpulver führt zu hexagonalen Plättchen, die sich bei der Herstellung von flexiblen Haftmagneten mechanisch leicht ausrichten lassen. Bei Nd2Fe14B ist die Situation schwieriger, da ein einfacher pulvermetallurgischer Weg aus gegossenen oder geglühten Nd2Fe14B-Blöcken im Allgemeinen nicht zu Pulvern mit ausreichend hoher Koerzitivkraft für die Verwendung in Verbundmagneten führt. Koerzitivreiche NdFeB-Pulver können jedoch durch Schmelzspinnen gewonnen werden (siehe Metallische Fäden). Bei dieser Technik wird ein feiner Strom geschmolzener Legierung auf die Außenfläche eines schnell drehenden Rades gesprüht, wodurch dünne, schnell abgeschreckte Bänder oder Flocken entstehen. Während des Schmelzspinnens wird das Material vor Oxidation geschützt, indem dieser Prozess in einer Schutzatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt wird. Die Abschreckgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 105 K s-1 und kann durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Spinnrads variiert werden. Unterschiedliche Abschreckraten führen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen, die wiederum die magnetischen Eigenschaften des schmelzgesponnenen Materials bestimmen. Optimale Schmelzspinnbedingungen führen zu einer nanokristallinen Legierung, die aus feinen Körnern (typischerweise 30 nm) der Verbindung Nd2Fe14B besteht, umgeben von einer dünnen Schicht einer neodymreichen eutektischen Phase. In der Praxis lassen sich zuverlässigere und reproduzierbare Ergebnisse erzielen, wenn eine etwas höhere Abschreckrate verwendet und das schmelzgesponnene Material anschließend unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen geglüht wird. Das schmelzgesponnene Material ist relativ spröde und kann zu einem feinen Pulver gemahlen werden, das sich für die Herstellung von Haftmagneten eignet. Da die Nd2Fe14B-Körner eine zufällige Ausrichtung haben, sind diese gebundenen Magnete isotrop. Pulverteilchen mit kugelförmiger Gestalt fließen im Spritzgussverfahren besser, was einen höheren Ladefaktor ermöglicht. Ein solches Pulver kann durch ein Inertgas-Zerstäubungsverfahren mit typischen Werten für den mittleren Teilchendurchmesser von 45 mm hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des Zerstäubungsprozesses ist die hohe Produktionsrate und die niedrigen Verarbeitungskosten der Pulver (Ma et al. 2002). Ein anderer Weg, der zu koerzitiven NdFeB-Pulvern führt, ist das sogenannte HDDR-Verfahren (siehe Magnete: HDDR-Verfahren). Dieser Prozess umfasst im Wesentlichen vier Schritte: Hydrierung von Nd2Fe14B bei niedrigen Temperaturen, Zersetzung von Nd2Fe14BHx zu NdH2.7 + Fe + Fe2B, Desorption von H2-Gas aus NdH2.7 und Rekombination von Nd + Fe + Fe2B zu Nd2Fe14B. Dieser Prozess profitiert von der Tatsache, dass die Bildung von Nd2Fe14B-Körnern im letzten Schritt eine Festkörperreaktion ist und daher mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit abläuft als bei der Erstarrung aus der Schmelze während eines normalen Gießprozesses. Die durchschnittliche Nd2Fe14B-Korngröße bleibt im Nanometerbereich und führt zu ausreichend großen Koerzitivfeldstärken. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass das HDDR-Verfahren erfolgreich zur Herstellung anisotroper Partikel eingesetzt werden kann. Takeshita und Nakayama (1992) entdeckten, dass insbesondere Zusätze von Zirkonium, Hafnium und Gallium bei der Herstellung anisotroper HDDR-Pulver sehr effektiv sind. Die erforderliche Menge an Zusatzstoffen ist überraschend gering (z. B. Nd12,5Fe69,9Co11,5B6Zr0,1). Die von Harris (1992) beschriebenen mikroskopischen Untersuchungen zeigten, dass sich innerhalb des ursprünglichen Gusskorns der Legierung große facettierte HDDR-Körner gebildet hatten. Diese facettierten Körner haben eine gemeinsame Ausrichtung, die wahrscheinlich die gleiche ist wie die des ursprünglichen Korns. Die anisotrope Beschaffenheit von HDDR-Pulvern aus Legierungen wie Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 lässt sich somit veranschaulichen, wenn man annimmt, dass die HDDR-Körner innerhalb eines ursprünglichen Kornbereichs im Gusszustand aus Submikrokörnern entstanden und gewachsen sind, wobei letztere eine gemeinsame Ausrichtung aufweisen (Harris 1992).Offensichtlich besteht die Wirkung des Additivs darin, Keimzentren für die Keimbildung und das Wachstum der HDDR-Körner zu schaffen, wobei letztere die Orientierung des ursprünglichen Gusskorns beibehalten haben. Tomida et al. (1996) haben mit Hilfe der Röntgenbeugung eine Korrelation zwischen der anisotropen Beschaffenheit des endgültigen HDDR-Pulvers und der Menge der Nd2Fe14B-Phase hergestellt, die im Hydrierungsprozess nicht umgesetzt wurde. TEM-Untersuchungen von Tomida et al. an Pulver, das unter optimalen Energieproduktbedingungen hydriert wurde, zeigten, dass das Pulver nach der Hydrierung hauptsächlich aus grobkörnigem α-Fe und Fe2B besteht, mit dazwischen eingebetteten nanokristallinen Partikeln. Diese Teilchen wurden durch Elektronenbeugung als NdH2-Teilchen identifiziert. Viele der Teilchen wurden jedoch als Nd2Fe14B-Teilchen identifiziert, deren kristallografische Ausrichtung fast mit der der ursprünglich gegossenen Nd2Fe14B-Körner übereinstimmt. Energiedispersive Spektren zeigten außerdem, dass diese Teilchen eine höhere Kobalt- und Galliumkonzentration aufweisen, als es der durchschnittlichen Konzentration der Ausgangslegierung entspricht. Diese Ergebnisse veranlassten Tomida et al. zu der Annahme, dass diese Art von nanokristallinen Nd2Fe14B-Teilchen als Initiationszentren im Rekombinationsprozess dienen und der Ursprung des Orientierungsgedächtniseffekts in HDDR-Pulvern sind.Eine andere Materialkategorie, die vielversprechend zu sein scheint, sind nanokristalline Verbundmagnete auf der Basis seltener Erden. Unter bestimmten Umständen können zweiphasige Verbundwerkstoffe ein höchst interessantes Koerzitivfeldstärkeverhalten zeigen. Ein solches Verhalten wurde von Kneller und Hawig (1991) beschrieben, die die kombinierte Wirkung von zwei fein verteilten und durch gegenseitigen Austausch gekoppelten magnetischen Phasen untersuchten. Eine dieser Phasen hat eine große uniaxiale Anisotropiekonstante und ist in der Lage, eine hohe Koerzitivfeldstärke zu erzeugen. Im Gegensatz dazu ist die zweite Phase weichmagnetisch. Sie hat eine größere magnetische Ordnungstemperatur und damit auch eine größere durchschnittliche Austauschenergie als die harte Phase. Es ist die vergleichsweise hohe Sättigungsmagnetisierung der weichen Phase, die, wenn diese mit der harten Phase austauschgekoppelt ist, dem Verbundmagneten eine hohe Remanenz verleiht. Die Möglichkeit, Magnete herzustellen, die eine Remanenzverstärkung aufweisen, hat umfangreiche Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet ausgelöst (siehe Magnete: Remanenzverstärkung). Bei den meisten Systemen, für die eine Remanenzverstärkung berichtet wurde, ist die magnetisch weiche Phase α-Fe oder eine eisen- oder kobaltreiche Legierung. Beispiele für magnetisch harte Phasen sind Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 und Nd(Fe,Mo)12Nx. Die Mikrostrukturen all dieser Verbundmagnete haben gemeinsam, dass sie aus einer sehr feinen Verteilung der magnetischen Teilchen bestehen, die in den Nanometerbereich fällt. Um diese Feinverteilung zu erreichen, werden verschiedene Techniken eingesetzt, darunter das Schmelzspinnen und das mechanische Legieren (siehe Magnete: Mechanisch legiert). Diese Gruppe von Werkstoffen wird als magere Seltenerd-Dauermagnete bezeichnet. Ihre Vorteile gegenüber den Standardlegierungen sind ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und die Tatsache, dass sie bereits bei einem vergleichsweise geringen angelegten Feld in Sättigung gehen. Ein Nachteil ist ihre relativ geringe Koerzitivfeldstärke. Die Möglichkeit der Verwendung dieser Materialien in harzgebundenen Magneten wurde von Croat (1997) beschrieben. Eine weitere interessante Materialgruppe sind interstitiell modifizierte R2Fe17-Verbindungen. Obwohl die niedrigen Curie-Temperaturen und die vergleichsweise geringen magnetokristallinen Anisotropien die R2Fe17-Verbindungen für Anwendungen als Dauermagnetwerkstoffe weniger attraktiv machen, konnten durch die Bildung von interstitiellen Mischkristallen, die durch die Kombination dieser Werkstoffe mit Kohlenstoff oder Stickstoff erhalten wurden, erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Curie-Temperatur-Anisotropie und die Koerzitivfeldstärke erreicht werden. Es wird allgemein angenommen, dass die Zusammensetzung der entsprechenden ternären Nitride und Carbide R2Fe17Cx und R2Fe17Nx auf den Bereich 0≤x≤3 beschränkt ist. Weitere Einzelheiten über die Bildungsbereiche und die Lage der Zwischengitteratome sind in der Übersicht von Fujii und Sun (1995) beschrieben.Harzgebundene Magnete aus stickstoffhaltigen Sm2Fe17-Pulvern wurden mit BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T und μoBHc = 6,5 T. Um den günstigen niedrigen Temperaturkoeffizienten der Koerzitivfeldstärke in für Hochtemperaturanwendungen geeigneten Magnetkörpern zu erforschen, haben Rodewald et al. (1993) und Kuhrt et al. (1993) zinn- und zinkgebundene Magnete untersucht. In diesen Fällen waren die erzielten Remanenzen jedoch recht niedrig (Br<0,7 T).