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Alternativen zum Elektroblech

Oktober 2014 — Ob Dauermagnete oder Elektroblech: die üblichen Standards bei magnetischen Legierungen sind schwierig zu bearbeiten. Das erhöht die Kosten und schränkt die Gestaltungsmöglichkeiten ein. Bandmaterial der Vacuumschmelze eröffnet neue Möglichkeiten.

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Bei kaltgewalztem Bandmaterial ist Stahl mit einer weltweiten Produktion von mehr als 1 Mrd.t/Jahr der dominierende Werkstoff. Dabei werden Stähle überwiegend als Konstruktionswerkstoffe verwendet, so dass die mechanischen Eigenschaften im Vordergrund stehen. Andererseits führt auch die Suche nach Funktionswerkstoffen häufig zu Legierungen auf Eisenbasis. Offensichtlich ist dies im Bereich des Magnetismus, da Eisen bekanntermaßen eine gute Magnetisierbarkeit aufweist. Die Magnetisierung entspricht der magnetischen Induktion B im Material, welche mit steigendem Magnetfeld bis zur Sättigungspolarisation JS zunimmt. Stähle selbst sind nur selten geeignete Magnetwerkstoffe, da sie meist hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Verarbeitbarkeit optimiert sind. Zusätze wie Kohlenstoff oder Chrom verschlechtern die Magneteigenschaften in der Regel signifikant. Bei höheren Anforderungen an die Magnetwerte stoßen übliche Stahlqualitäten deshalb schnell an ihre Grenzen.

Grundsätzlich lassen sich Magnetwerkstoffe in weichmagnetische Legierungen und Dauermagnete einteilen, wobei der Übergang bei dieser Klassifizierung fließend ist. Als maßgeblicher Parameter dient hier die Koerzitivfeldstärke HC. Diese bezeichnet die erforderliche magnetische Feldstärke beziehungsweise das von außen angelegte entgegengesetzte Magnetfeld, um einen magnetisierten Werkstoff vollständig zu entmagnetisieren. Weichmagnetische Legierungen werden überwiegend in dynamischen Wechselfeldern eingesetzt und müssen sich leicht ent- oder ummagnetisieren lassen. Bei Dauermagneten ist dies nicht gewünscht, weshalb dort eine große Koerzitivfeldstärke angestrebt wird. Die Hystereseschleifen dokumentieren den Unterschied zwischen Dauermagneten und weichmagnetischen Werkstoffen.


Weichmagnetische Werkstoffe

Die kommerziell bedeutsamen weichmagnetischen Legierungen lassen sich in vier Gruppen einteilen:

- Reineisen (Fe);

- Silizium-Eisen (SiFe) – Siliziumanteil ca. 3%;

- Nickel-Eisen (NiFe) – Nickelanteil zwischen 35 und 8 %;

- Kobalt-Eisen (CoFe) – Kobaltanteil zwischen 10 und 49 %.

Schon reines Eisen ist ein guter weichmagnetischer Werkstoff mit einem sehr guten Ummagnetisierungsverhalten und einer guten magnetischen Leitfähigkeit. Dies gilt insbesondere für Eisen mit einer sehr hohen Reinheit. Schon sehr geringe Verunreinigungen führen zu Verschlechterungen beispielsweise bei der Koerzitivfeldstärke und der Permeabilität. Hinzu kommen ein sehr geringer spezifischer elektrischer Widerstand und eine schlechte Stanzbarkeit aufgrund der geringen Härte.

Die Nachteile von reinem Eisen wurden mit der Entwicklung des elektrodynamischen Prinzips und der dafür erforderlichen Stator- und Rotorlamellen deutlich. Als Lösung des Problems wurde vor über 100 Jahren das Elektroblech (SiFe) entwickelt: Durch das Zulegieren von circa 3% Silizium konnte der elektrische Widerstand um den Faktor 5 auf circa 0,5 mWm erhöht und die Stanzbarkeit entscheidend verbessert werden. Die zwangsläufig entstandenen Nachteile, wie eine stark reduzierte Permeabilität bei kleinen Feldstärken, spielen bei Motoren und Generatoren keine Rolle, so dass die Produktionsmenge von Elektroblech auf heute etwa 10 Mio.t/Jahr anstieg. Trotz der Dominanz dieser Werkstoffklasse bei den weichmagnetischen Legierungen ist dies weniger als 1% der weltweiten Stahlproduktion.

Der Trend zu kleineren Produktionsmengen setzt sich aber noch weiter fort, wenn die Anforderungen an den Magnetwerkstoff steigen. Einfache Standardlegierungen können dann nicht mehr verwendet werden, vielmehr sind anwendungsspezifische Lösungen gefordert. Dies betrifft nicht nur den Werkstoff, sondern auch die Weiterverarbeitung und die Verfügbarkeit in vernünftigen Losgrößen.


Anwendungsspezifische Lösungen sind gefordert

Auf die Produktion derartiger Legierungen hat sich die Vacuumschmelze GmbH & Co. KG in Hanau spezialisiert. Der größte Teil der über 100 Werkstoffe von VAC betrifft Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften. Diese werden ausschließlich kundenspezifisch gefertigt, überwiegend in Form von kaltgewalztem Band. Typische Fertigungseinheiten sind 1-2 Tonnen, die auf Enddicken zwischen 50 µm und 2 mm gewalzt werden. Der Fokus liegt dabei auf Nickel-Eisen- und Kobalt-Eisen-Legierungen mit sehr geringen Toleranzen bei der Zusammensetzung. Das Schmelzen unter Vakuum gewährleistet sehr hohe Reinheiten. Letztere sind mitentscheidend für die kleinen Koerzitivfeldstärken, die insbesondere mit Nickel-Eisen-Legierungen erreicht werden.

„Mumetall“ ist der bekannteste Vertreter dieser Werkstoffklasse. Mit nur 1,5 A/m liegt seine Koerzitivfeldstärke um eine Größenordnung unter den typischen Werten von Elektroblech. Zusammen mit einer sehr großen Maximalpermeabilität eignet sich das Metall ausgezeichnet zur Abschirmung von magnetischen Störfeldern. Neben einem walzharten Zustand wird Mumetall auch weich geglüht respektive weich-tiefziehbar geliefert, was auch komplexere Teile-Geometrien ermöglicht. So vorteilhaft NiFe-Legierungen bei kleinen und mittleren Magnetfeldern sind, für kraftübertragende Anwendungen beispielsweise in Motoren, Generatoren oder Aktoren ist diese Werkstoffklasse aufgrund der limitierten Sättigungspolarisation weniger geeignet. Aber es gibt Alternativen, die dem Elektroblech technisch überlegen sind: CoFe-Werkstoffe haben mit bis zu 2,4 T(Tesla) das höchste Sättigungsniveau aller kommerziell relevanten Legierungen. Da das übertragene Kraftmoment quadratisch mit der Induktion ansteigt, lassen sich mit CoFe-Werkstoffen Systeme mit maximaler Leistungsdichte realisieren. Deutlich wird dies bei Hochleistungs-Elektromotoren: durch den Austausch des weichmagnetischen Materials beim Stator von Elektroblech durch Vacodur 49 steigen die Leistungsdaten extrem. Bei gleicher Baugröße des Motors liegen die Drehmomentwerte abhängig vom Motordesign 30% bis 50% höher.

Während CoFe-Werkstoffe mit etwa 49% Kobaltanteil spröde und schlecht biegbar sind, gibt es im Unterschied zu Elektroblech aber auch sehr gut verformbare Varianten. Vacoflux 17 lässt sich beispielsweise nicht nur biegen, sondern sogar fließpressen und wird für Aktorteile und Flussleitelemente verwendet.


Dauermagnete aus Bandmaterial

Die Herstellung von Dauermagneten aus Bandmaterial ist ungewöhnlich. Trotzdem ist sie in vielen Fällen sehr sinnvoll, weil die Nachteile üblicher Permanentmagnete häufig die Gestaltungsfreiheiten bei der Konstruktion von Magnetsystemen stark einschränken. Ob Seltenerd-Dauermagnete, AlNiCo-Legierungen oder Hartferrite: alle diese Werkstoffe sind spröde und lassen sich nicht plastisch verformen. Eine Teile-Herstellung mittels Stanzen oder gar Stanzbiegen respektive Tiefziehen ist schlichtweg unmöglich. Viele Geometrien sind deshalb mit den oben aufgeführten Werkstoffen nicht realisierbar.

Eine Alternative stellen hier zwei Kobalt-haltige Legierungen der Vacuumschmelze dar. Der CoFeV-Werkstoff Magnetoflex 35U wird als Band mit einem Kaltverformungsgrad von mindestens 90% hergestellt. Dadurch ergeben sich anisotrope Magneteigenschaften, die sich am besten ausnutzen lassen, wenn die effektive magnetische Vorzugsrichtung in Walzrichtung liegt. Gestanzte Streifen, die anschließend kreisförmig gebogen werden, lassen sich ideal für Hysteresekupplungen und -motoren verwenden.

Noch mehr Gestaltungsmöglichkeiten erhält man mit dem FeCrCo-Werkstoff Crovac. Im Lieferzustand „weich geglüht“ handelt es sich um Bandmaterial mit isotropen Eigenschaften, welches sich exzellent verarbeiten lässt. So kann man Crovac-Band nicht nur stanzen, sondern auch sehr gut biegen und Crovac 12 sogar tiefziehen. Die verformbaren Dauermagnet-Werkstoffe der Vacuumschmelze verbinden also zwei Eigenschaften, die sich bei Permanentmagneten üblicherweise ausschließen: Vielfältige Möglichkeiten bei der Geometrie kombiniert mit kostengünstigen Fertigungsverfahren.


Alternativen zum Elektroblech sind verfügbar

Obwohl Stahl und Elektroblech bezogen auf das Produktionsvolumen bei Eisenbasislegierungen dominieren, gibt es gerade im Bereich der Magnetwerkstoffe vielfältige Alternativen: unter Verwendung von Nickel und Kobalt stellt die Vacuumschmelze weichmagnetische Legierungen und verformbare Dauermagnete in Bandform her. Ausgezeichnete magnetische Eigenschaften und anwendungsspezifische Lieferformen und -zustände ermöglichen neue Chancen bei der Konstruktion innovativer Magnetsysteme.

Vacuumschmelze GmbH & Co. KG

63412 Hanau

Tel.: +49 6181 38-0

http://www.vacuumschmelze.de

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