Warum AlNiCo-Magnete große Bearbeitungstoleranzen aufweisen und wie hoch ihre Maßgenauigkeit nach der Bearbeitung ist

1. Einführung in AlNiCo-Magnete

AlNiCo-Magnete (Aluminium-Nickel-Kobalt) sind Permanentmagnete, die hauptsächlich aus Aluminium (Al), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) bestehen. Zur Leistungssteigerung werden geringe Mengen Kupfer (Cu), Titan (Ti) und weitere Elemente beigemischt. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Remanenz (Br), ausgezeichnete Temperaturstabilität und ihren niedrigen reversiblen Temperaturkoeffizienten aus und eignen sich daher für hochpräzise Anwendungen wie Sensoren, Motoren und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt.

AlNiCo-Magnete weisen jedoch auch inhärente Nachteile auf, darunter geringe mechanische Festigkeit, hohe Härte und Sprödigkeit, was ihre Bearbeitbarkeit erheblich beeinträchtigt. Dieser Artikel untersucht, warum AlNiCo-Magnete große Bearbeitungszugaben erfordern und welche Maßgenauigkeit nach der Bearbeitung erreicht werden kann.

2. Warum AlNiCo-Magnete große Bearbeitungszugaben erfordern

2.1 Sprödigkeit und geringe Zähigkeit

AlNiCo-Magnete sind aufgrund ihrer metallisch-glasartigen Mikrostruktur, der es an Duktilität mangelt, von Natur aus spröde. Bei der Bearbeitung führt diese Sprödigkeit zu folgenden Problemen:

• Absplitterungen und Risse : Kleine Risse können sich unter Schnittkräften schnell ausbreiten und zu Kantenabsplitterungen oder katastrophalem Versagen führen.
• Oberflächenfehler : Auf der bearbeiteten Oberfläche können sich Mikrorisse und Poren bilden, die einen zusätzlichen Materialabtrag erforderlich machen, um eine glatte Oberfläche zu erzielen.

Um diese Probleme zu beheben, ist ein größeres Bearbeitungszugabe erforderlich:

• Beschädigte Schichten, die durch das anfängliche Vorschruppen entstanden sind, entfernen.
• Stellen Sie sicher, dass ausreichend Material für die Endbearbeitung übrig bleibt.

2.2 Hohe Härte und Werkzeugverschleiß

AlNiCo-Magnete weisen typischerweise eine Härte von 450–550 HV auf, die mit der von gehärtetem Stahl vergleichbar ist. Diese hohe Härte beschleunigt den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung und führt zu Folgendem:

• Verminderte Schnittleistung : Stumpfe Werkzeuge erfordern höhere Schnittkräfte, wodurch das Risiko einer Beschädigung des Werkstücks steigt.
• Mangelhafte Oberflächenqualität : Abgenutzte Werkzeuge hinterlassen raue Oberflächen, die ein zusätzliches Schleifen oder Polieren erforderlich machen.

Ein größerer Bearbeitungszugabe gleicht den Werkzeugverschleiß aus, indem sichergestellt wird, dass auch nach mehrmaligem Werkzeugwechsel noch ausreichend Material für die Endabmessung vorhanden ist.

2.3 Thermische Empfindlichkeit

AlNiCo-Magnete weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 12–15 W/m·K ) auf, was bedeutet, dass die bei der Bearbeitung entstehende Wärme nicht effizient abgeführt wird. Dies führt zu Folgendem:

• Thermische Ausdehnung : Lokale Erwärmung kann zu ungleichmäßiger Ausdehnung führen, was Maßungenauigkeiten zur Folge hat.
• Eigenspannungen : Eine schnelle Abkühlung nach der Bearbeitung kann Eigenspannungen hervorrufen, die zu Verformungen oder Rissen führen können.

Ein größerer Bearbeitungsspielraum ermöglicht die Spannungsentlastung durch Glühen oder Aushärten vor der endgültigen Abmessung und verringert so das Risiko von Verformungen.

2.4 Erhaltung der magnetischen Eigenschaften

Die Bearbeitung erzeugt Wärme und mechanische Spannungen, die die magnetischen Eigenschaften von AlNiCo-Magneten, insbesondere ihre Koerzitivfeldstärke (Hc) und Remanenz (Br) , beeinträchtigen können. Um dies zu minimieren:

• Spannungsarme Bearbeitung : Verfahren wie Schleifen oder Funkenerosion (EDM) werden gegenüber spannungsintensiven Verfahren wie Fräsen oder Drehen bevorzugt.
• Große Toleranzen : Achten Sie darauf, dass beim Abschleifen nur die äußerste Schicht (die möglicherweise magnetisch beeinträchtigt ist) entfernt wird.

3. Erreichbare Maßgenauigkeit nach der Bearbeitung

Die Maßgenauigkeit von AlNiCo-Magneten nach der Bearbeitung hängt vom Bearbeitungsverfahren , den Werkzeugen und den Nachbearbeitungstechniken ab. Nachfolgend eine Analyse gängiger Bearbeitungsprozesse und ihrer typischen Genauigkeitsbereiche:

3.1 Schleifen

Schleifen ist die am weitesten verbreitete Methode zur Oberflächenbearbeitung von AlNiCo-Magneten, da sie eine hohe Präzision und geringe Oberflächenrauheit ermöglicht.

• Maßgenauigkeit : IT6–IT7 (ISO-System) oder ±0,005–±0,01 mm für lineare Abmessungen.
• Oberflächenrauheit : Ra 0,2–0,8 μm (kann durch Superfinishing auf Ra 0,05 μm verbessert werden).
• Anwendungsgebiete : Endgültige Dimensionierung von Magnetpolen, Sensorkomponenten und Präzisionsmotorteilen.

3.2 Funkenerosives Bearbeiten (EDM)

EDM eignet sich für komplexe Formen und harte Werkstoffe wie AlNiCo, da es nicht auf mechanischer Kraft basiert.

• Maßgenauigkeit : IT7–IT8 oder ±0,01–±0,02 mm .
• Oberflächenrauheit : Ra 1,6–3,2 μm (erfordert Polieren für bessere Oberflächengüte).
• Einschränkungen : Langsamer als Schleifen und kann eine Umschmelzschicht hinterlassen, die entfernt werden muss.

3.3 Läppen und Polieren

Für Anwendungen im Ultrapräzisionsbereich werden Läppen und Polieren eingesetzt, um Folgendes zu erreichen:

• Maßgenauigkeit : IT5–IT6 oder ±0,002–±0,005 mm .
• Oberflächenrauheit : Ra < 0,05 μm (Spiegelglanz).
• Anwendungsgebiete : Optische Komponenten, hochpräzise Sensoren und Luft- und Raumfahrtteile.

3.4 Drehen und Fräsen (eingeschränkte Nutzung)

Aufgrund ihrer Sprödigkeit werden Drehen und Fräsen selten für die Endbearbeitung von AlNiCo eingesetzt, können aber für die Schruppbearbeitung verwendet werden.

• Maßgenauigkeit : IT8–IT10 oder ±0,02–±0,05 mm .
• Oberflächenrauheit : Ra 3,2–6,3 μm (erfordert nachfolgendes Schleifen).

4. Faktoren, die die Maßgenauigkeit beeinflussen

4.1 Materialeigenschaften

• Härte und Sprödigkeit : Höhere Härte erhöht den Werkzeugverschleiß und verringert die Genauigkeit.
• Wärmeausdehnung : Erfordert einen Ausgleich während der Bearbeitung, um Maßfehler zu vermeiden.

4.2 Bearbeitungsparameter

• Schnittgeschwindigkeit : Niedrigere Geschwindigkeiten verringern die Wärmeentwicklung, können aber den Werkzeugverschleiß erhöhen.
• Vorschubgeschwindigkeit : Feine Vorschübe verbessern die Oberflächengüte, verlangsamen aber die Produktion.
• Schnitttiefe : Flache Schnitte minimieren die Spannung, erfordern aber mehr Durchgänge.

4.3 Werkzeuge

• Diamantwerkzeuge : Aufgrund ihrer Härte und Verschleißfestigkeit werden sie bevorzugt zum Schleifen verwendet.
• Hartmetallwerkzeuge : Werden zum Schruppen verwendet, müssen aber häufig ausgetauscht werden.

4.4 Nachbearbeitungsbehandlungen

• Glühen : Abbau von Eigenspannungen und Verbesserung der Dimensionsstabilität.
• Magnetische Stabilisierung : Gewährleistet gleichbleibende magnetische Eigenschaften nach der Bearbeitung.

5. Schlussfolgerung

AlNiCo-Magnete erfordern aufgrund ihrer Sprödigkeit, hohen Härte, thermischen Empfindlichkeit und der Notwendigkeit, die magnetischen Eigenschaften zu erhalten, große Bearbeitungszugaben. Die nach der Bearbeitung erreichbare Maßgenauigkeit hängt vom verwendeten Verfahren ab.

• Schleifen : Am besten geeignet für hohe Präzision (IT6–IT7, ±0,005–±0,01 mm).
• EDM Geeignet für komplexe Formen (IT7–IT8, ±0,01–±0,02 mm).
• Läppen/Polieren : Für höchste Präzision (IT5–IT6, ±0,002–±0,005 mm).

Durch die Wahl des geeigneten Bearbeitungsverfahrens und die Kontrolle der Prozessparameter können die Hersteller die erforderliche Maßgenauigkeit erreichen und gleichzeitig die magnetischen Eigenschaften der AlNiCo-Magnete erhalten.