Magnetherstellungsprozess

Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von Magneten, aber die häufigste Methode ist die Pulvermetallurgie. Dabei wird eine geeignete Zusammensetzung zu feinem Pulver zermahlen, verdichtet und erwärmt, um eine Verdichtung durch „Flüssigphasensintern“ zu erreichen. Aus diesem Grund werden diese Magnete häufig als gesinterte Magnete bezeichnet. Die Magnete aus Ferrit, Samarium-Kobal (SmCo) und Neodym-Eisen-Bor (NEO) werden alle nach diesem Verfahren hergestellt. Im Gegensatz zu Ferrit, das ein keramisches Material ist, handelt es sich bei allen Seltenerdmagneten um Metalllegierungen.

So werden SmCo- und Neo-Magnete hergestellt

Geeignete Rohstoffe werden unter Vakuum oder Schutzgas in einem Induktionsschmelzofen eingeschmolzen. Die geschmolzene Legierung wird entweder in eine Form oder auf eine Kühlplatte gegossen oder in einer Bandgießanlage verarbeitet, einer Vorrichtung, die ein dünnes, kontinuierliches Metallband erzeugt. Diese gehärteten „Metallbrocken“ werden zerkleinert und pulverisiert, um ein feines Pulver mit einem Körnerdurchmesser von 3 bis 7 Mikron zu erhalten. Dieses sehr feine Pulver ist chemisch reaktiv, kann sich an der Luft spontan entzünden und muss daher vor Sauerstoffeinwirkung geschützt werden.

Es gibt mehrere Methoden zum Verdichten des Pulvers, bei denen die Partikel so ausgerichtet werden, dass im fertigen Teil alle magnetischen Bereiche in eine vorgegebene Richtung zeigen. Die erste Methode wird als axiales oder transversales Pressen bezeichnet. Hier wird das Pulver in einen Hohlraum eines Werkzeugs auf der Presse eingebracht und die Stanzen dringen in das Werkzeug ein, um das Pulver zu komprimieren. Kurz vor der Verdichtung wird ein Ausrichtfeld angelegt. Die Verdichtung „friert“ diese Ausrichtung ein. Beim axialen (parallelen) Pressen ist das Ausrichtfeld parallel zur Verdichtungsrichtung. Beim Querpressen (senkrecht) verläuft das Feld senkrecht zum Verdichtungsdruck. Da die kleinen Pulverpartikel in Richtung der magnetischen Ausrichtung länglich angeordnet sind, führt das Querpressen zu einer besseren Ausrichtung und damit zu einem energieintensiveren Produkt. Die Pulververdichtung in hydraulischen oder mechanischen Pressen begrenzt die Form auf einfache Querschnitte, die aus dem Matrizenhohlraum herausgeschoben werden können.

Eine weitere Verdichtungsmethode nennt man isostatisches Pressen, bei der ein flexibler Behälter mit Pulver gefüllt und versiegelt, ein Ausrichtfeld angelegt und der Behälter in die isostatische Presse eingesetzt wird. Mit einer Flüssigkeit, entweder Hydraulikflüssigkeit oder Wasser, wird Druck auf die Außenseite des abgedichteten Behälters ausgeübt, wodurch dieser auf allen Seiten gleichmäßig verdichtet wird. Die Hauptvorteile der Herstellung von Magnetblöcken mithilfe von isostatischem Pressens liegen darin, dass sehr große Blöcke hergestellt werden können, häufig bis zu 100 x 100 x 250 mm, und da der Druck auf alle Seiten gleichmäßig ausgeübt wird, verbleibt das Pulver in einer optimalen Ausrichtung, wodurch ein Produkt mit der höchstmöglichen Energieeffizienz hergestellt werden kann.

Die gepressten Teile werden in „Booten“ verpackt und in einen Vakuum-Sinterofen befördert. Die besonderen Temperaturen und das Vorhandensein von Vakuum oder Schutzgas sind abhängig von der Art und dem Gütegrad des herzustellenden Magneten. Beide Seltenerdmaterialien werden auf eine Sintertemperatur erwärmt und können sich verdichten. Samarium-Kobal erfordert zusätzlich eine „lösende“ Behandlung nach dem Sintern. Nach Erreichen der Raumtemperatur erhalten beide Materialien eine Wärmebehandlung bei niedrigerer Temperatur. Beim Sintern schrumpfen die Magnete linear um etwa 15–20 %. Die fertigen Magnete haben eine raue Oberfläche und nur ungefähre Abmessungen. Sie weisen auch kein äußeres Magnetfeld auf.

Endbearbeitung

Gesinterte Magnete erhalten eine gewisse Bearbeitung, die vom glatten und parallelen Schleifen über das Außen- oder Innenschleifen bis hin zum Schneiden von Blockmagneten in kleinere Teile reichen kann. Das Magnetmaterial ist sowohl spröde als auch extrem hart (Rockwell C 57 bis 61) und erfordert Diamantscheiben zum Schneiden und Diamant- oder spezielle Schleifscheiben zum Schleifen. Das Schneiden kann mit ausgezeichneter Präzision durchgeführt werden, wodurch ein nachträgliches Schleifen entfällt. Diese Prozesse müssen allesamt mit äußerster Sorgfalt durchgeführt werden, um Absplitterungen und Rissbildungen zu minimieren.

In einigen Fällen kann die endgültige Magnetform, wie beispielsweise Bögen und Rundungen, durch die Bearbeitung mit einer geformten Diamantschleifscheibe erreicht werden. Das Produkt in annähernder Endform wird an der Schleifscheibe vorbeigeführt, welche die exakten Abmessungen vorgibt. Bei der Herstellung dieser komplexen Formen in kleinen Stückzahlen wird häufig die Funkenerosion eingesetzt. Bei einfachen zweidimensionalen Profilen ist das Funkenerodieren schneller, während bei komplexeren Formen unter Einsatz von 3- bis 5-achsigen Maschinen langsamer gearbeitet wird.

Zylindrische Teile können in der Regel axial in Form gepresst oder aus Rohmaterialblöcken kerngebohrt werden. Diese längeren Zylinder, entweder massiv oder mit einem ID, können später zu dünnen, scheibenförmigen Magneten geschnitten werden.

Bei Großserien, üblicherweise 5.000 Stück oder mehr, ist es in der Regel wirtschaftlicher, Werkzeuge herzustellen und formgerecht zu produzieren. Bei Kleinserien oder bei bestimmten Eigenschaften kann es sinnvoll sein, Magnete aus dem Rohblock herzustellen. Beim Formenpressen werden die Materialabfälle, wie z. B. Schleifspäne, auf ein Minimum reduziert. Die Auftragsmenge, die Teileform, die Größe und die Komplexität tragen maßgeblich zur Entscheidung bei, welches Herstellungsverfahren das geeignetste ist. Auch die Lieferzeit wirkt sich auf diese Entscheidung aus, da die Herstellung begrenzter Mengen aus Blockmaterialien wahrscheinlich schneller ist als die Beschaffung von Werkzeugen für Formpressteile. Die Kostenkalkulation dieser Optionen ist nicht immer einfach. Wir empfehlen Ihnen, sich mit uns in Verbindung zu setzen, um die Möglichkeiten zu besprechen.

Obwohl aus diesen Legierungen komplizierte Magnetformen hergestellt werden können, sind die Materialien auch für einfachere Formen bestens geeignet. Löcher, große Fasen oder Nuten sind teurer in der Herstellung. Bei komplexeren Formen, die zu Strömungsfeldschwankungen und einer möglichen physikalischen Belastung des Bauteils in einer Baugruppe führen können, sind Toleranzen schwieriger einzuhalten.

Bearbeitete Magnete haben scharfe Kanten, die zu Absplitterungen neigen. Auch die Beschichtung um eine scharfe Kante herum ist problematisch. Die häufigste Methode zur Reduzierung der Schärfe ist ein schwingungsfähiger Schleifstein, der oft als vibrierende Gleitschleiftrommel bezeichnet und in einem abrasiven Medium eingesetzt wird. Die spezifische Rundung der Kante hängt von den Anforderungen an die Weiterverarbeitung und Handhabung ab, liegt aber meist bei einem Radius von 0,127 bis 0,38 mm (0,005" bis 0,015").

Neodym-Eisen-Bor-Magnete, die anfällig für Rostbildung oder chemische Reaktionen sind, werden fast immer beschichtet. Samarium-Kobalt ist von Natur aus korrosionsbeständiger als Neodym-Eisen-Bor, wird zuweilen jedoch auch mit einer Beschichtung versehen. Zu den gebräuchlichsten Schutzbeschichtungen gehören trocken gespritztes Epoxid, E-Coat (Epoxid), elektrolytisches Nickel, Aluminium-Ionen-Dampfabscheidung und Kombinationen aus diesen Beschichtungen. Magnete können auch mit Konversionsschichten wie Zink-, Eisen- oder Manganphosphaten und Chromaten beschichtet werden. Konversionsbeschichtungen sind im Allgemeinen ausreichend für den temporären Schutz und können eine Unterschicht für die Epoxidbeschichtung oder eine Deckschicht bilden, um den Schutz vor Ionen-Dampfabscheidung von Aluminium zu verbessern.

Magnetisierung

Nach Abschluss der Fertigung muss der Magnet „aufgeladen“ werden, um ein externes Magnetfeld zu erzeugen. Dies kann in einer Magnetspule, einem Hohlzylinder, in den verschiedene Magnetgrößen und Magnetformen eingesetzt werden können, oder mit Vorrichtungen zur Erzeugung einzigartiger magnetischer Muster erreicht werden. Außerdem ist es möglich, große Baugruppen zu magnetisieren, um die Handhabung und Montage dieser leistungsstarken Magnete im magnetisierten Zustand zu vermeiden. Die Anforderungen an das magnetisierende Feld sind beträchtlich. Dies sollte, wie viele andere Aspekte der Magnetauswahl auch, mit unserem Entwicklungs- und Produktionsteam besprochen werden.

Magnetische Stabilisierung und Kalibrierung

In einigen Fällen müssen Magnete stabilisiert oder kalibriert werden. Die Stabilisierung ist ein Prozess der Vorbehandlung der Magnete in oder aus einer Baugruppe, sodass eine spätere Verwendung nicht zu einem zusätzlichen Verlust der magnetischen Flussdichte führt. Die Kalibrierung wird durchgeführt, um den Leistungsbereich einer Gruppe von Magneten einzuschränken. Diese Prozesse erfordern die Behandlung in einem Ofen bei erhöhter Temperatur oder die umgekehrte Pulsierung in einem Magnetisierer bei Feldern unterhalb der vollen Knock-Down-Leistung. Es gibt mehrere Faktoren, welche die thermische Stabilisierung beeinflussen, und es ist wichtig, dass dieser Prozess sehr sorgfältig kontrolliert wird, um eine einwandfreie Endproduktleistung zu gewährleisten.

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