Magnetwerkstoffe

Magnetwerkstoffe (auch Magnetische Werkstoffe) sind Materialien, die wegen ihrer magnetischen Eigenschaften technisch genutzt werden. Die historisch gewachsene Unterscheidung stellt die Einteilung in weichmagnetische und hartmagnetische Materialien dar. Davon abgegrenzt gibt es natürlich auch noch Metalle und Metalllegierungen die ferromagnetische Eigenschaften haben, wie zum Beispiel Stähle, die aber wegen ihrer mechanischen Eigenschaften beispielsweise als Konstruktionswerkstoff Verwendung finden. Zum Anfang des 20. Jahrhunderts waren die weichmagnetischen Werkstoffe auch noch mechanisch weich, die Materialien, die gute Dauermagnete ergaben, eher mechanisch hart. Diese Regel gilt spätestens seit der Entwicklung der amorphen Metalle so nicht mehr.

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Grobeinteilung

Weichmagnetische Werkstoffe sind gekennzeichnet durch eine leichte Magnetisierbarkeit, die sich in einer kleinen Koerzitivfeldstärke ausdrückt. Vereinfacht ausgedrückt, können kleinste äußere Magnetfelder die innere Ausrichtung der Elementarteilchen verändern. Dies geht bei bestimmten Werkstoffen und Teileformen so leicht, das das Erdmagnetfeld zur kompletten Magnetisierung ausreicht.

Hartmagnetische Werkstoffe (Dauermagnete) besitzen sehr hohe Koerzitivfeldstärken, und setzen äußeren Magnetfelder dementsprechend einen hohen Widerstand entgegen. Eine Ummagnetisierung (bzw. Entmagnetisierung) wird selbst mit starken äußeren Feldern nicht erreicht.

Die als gängiges Einteilungskriterium für magnetischen Werkstoffe verwendete Koerzitivfeldstärke Hc ist diejenige Feldstärke, bei der die von einer Aufmagnetisierung zurückgebliebene Induktion (Polarisation) wieder verschwindet. In einer Hystereseschleife stellt H_c den Durchgang durch die X-Achse (der Feldstärke H) dar. Die Koerzitivfeldstärke hängt weniger von dem Material selbst als mehr von Störungen im Material und der Abweichung von der Idealstruktur ab. Die Bandbreite bei H_c geht von 0,5 A/m bei extrem weichmagnetischen Werkstoffen bis zu ca. 2.000.000 A/m bei den besten Dauermagneten. Die Grenze zwischen den beiden Materialgruppen liegt bei etwa 1.000 A/m.

Bei den weichmagnetischen Werkstoffen erreicht man optimale Eigenschaften, wenn die elementaren Magnetsierungsprozesse, Wandverschiebungen und Drehprozesse möglichst leicht und ungehemmt ablaufen.

Für Dauermagnetwerkstoffe wird auf verschiedenen Wegen gerade das Gegenteil angestrebt. Durch Inhomogenitäten werden Wandverschiebungen behindert, durch Kristall- und Formanisotropien versucht man Drehprozesse zu behindern.

Weitere Unterscheidungsmerkmale für magnetische Werkstoffe sind die Sättigungspolarisation (J_s), die Remanenz (B_r) die Permeabilität μ_r, die Verluste (p) sowie die Schleifenform der Hystereseschleife. Im Prinzip kann man alle diese Eigenschaften direkt oder indirekt von der Hystereschleife ableiten.

Weichmagnetische Werkstoffe sind:

• Legierungen auf Basis Eisen, Nickel und Cobalt u. a. Zusätzen, kristallin
• Legierungen auf Basis Eisen, Nickel und Cobalt u. a. Zusätzen, amorph und nanokristallin
• Pulverwerkstoffe
• Weichferrite (NiZn,MnZn)

Hartmagnetische Werkstoffe sind:

• Kobalt-Samarium (SmCo₅, Sm₂Co₁₇, Sm(Co,Cu,Fe,Zr)_z)
• Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)
• AlNiCo-Legierungen
• Hartferrite auf Basis Barium, Strontium
• PtCo-Legierungen
• CuNiFe und CuNiCo-Legierungen
• FeCoCr-Legierungen
• martensitische Stähle
• MnAlC-Legierungen

Das Übersichtsdiagramm Magnetwerkstoffe zeigt grob die Einteilung der Wertebereiche bezüglich der wichtigen Eigenschaften Koerzitivfeldstärke H_c sowie Sättigungspolarisation J_s bei den weichmagnetischen bzw. die Remanenz B_r bei den hartmagnetischen Werkstoffen.