Neodym oder Ferrit – welcher Magnetwerkstoff ist die bessere Wahl?

Dauermagnete sollten nicht allein nach ihrer Haftkraft ausgewählt werden. Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ist besonders dann im Vorteil, wenn auf kleinem Bauraum eine hohe magnetische Leistung benötigt wird. Das bedeutet jedoch nicht, dass Neodym für jeden Magnetkreis die beste Lösung ist. Hartferrit kann bei großen Stückzahlen, korrosiver Umgebung oder ausreichend vorhandenem Bauraum wirtschaftlicher sein. Bei hohen Temperaturen und hohen Gegenfeldern wird dagegen häufig Samarium-Cobalt interessant.

Ein häufiger Fehler besteht darin, Magnete nur anhand einer im Datenblatt angegebenen Haftkraft oder Oberflächenflussdichte zu vergleichen. In einer realen Konstruktion zählen zusätzlich Einsatztemperatur, Koerzitivfeldstärke, Luftspalt, Geometrie des Magnetkreises, Werkstoff und Dicke des Gegenstücks, Korrosionsschutz, mechanische Einspannung, Fertigungsverfahren und Rohstoffverfügbarkeit. Der magnetisch stärkste Werkstoff ergibt deshalb nicht automatisch die technisch beste Baugruppe.

Dauermagnetwerkstoffe im technischen Vergleich

Warum Neodym bei wenig Bauraum so attraktiv ist

Gesinterte NdFeB-Magnete gehören zu den leistungsfähigsten technisch verfügbaren Dauermagnetwerkstoffen. Ihre hohe Energiedichte ermöglicht starke Magnetfelder bei vergleichsweise kleinen Abmessungen. Das ist ein wesentlicher Grund für ihren Einsatz in kompakten Elektromotoren, Servoantrieben, Robotik, Sensoren, Magnetkupplungen und Haltesystemen, bei denen Bauraum und Masse begrenzt sind.

Die Werkstoffbezeichnung allein sagt jedoch noch nicht, ob ein NdFeB-Magnet für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Remanenz B_r, Koerzitivfeldstärke H_cJ, maximale Energiedichte (BH)_max und die Form der Entmagnetisierungskurve unterscheiden sich zwischen den verfügbaren Güten. Besonders bei erhöhten Temperaturen muss geprüft werden, ob die gewählte Güte noch genügend Widerstand gegen das im Betrieb auftretende Gegenfeld besitzt.

Deshalb gibt es keine einzelne maximale Einsatztemperatur, die für alle Neodym-Magnete gilt. Hochkoerzitive Werkstoffgüten können deutlich anspruchsvollere Temperaturbedingungen abdecken als Standardgüten. Entscheidend ist jedoch immer das Zusammenspiel aus Magnetwerkstoff, Geometrie und Arbeitspunkt im Magnetkreis.

Liegt der Arbeitspunkt bei der tatsächlichen Betriebstemperatur ungünstig auf der Entmagnetisierungskurve, können irreversible Magnetisierungsverluste auftreten. Nach dem Abkühlen kehrt die ursprüngliche magnetische Leistung dann nicht vollständig zurück. Ein Magnet, der in einem nahezu geschlossenen Magnetkreis stabil arbeitet, kann sich deshalb in einer Konstruktion mit großem Luftspalt oder starken Gegenfeldern völlig anders verhalten.

Ein weiterer Punkt ist der Korrosionsschutz. Gesintertes NdFeB enthält Eisen und wird deshalb in technischen Anwendungen üblicherweise mit einer geeigneten Beschichtung oder Kapselung geschützt. Verwendet werden beispielsweise Ni-Cu-Ni-Systeme, Zink, Epoxidbeschichtungen oder spezielle polymere Schutzsysteme. Welche Lösung sinnvoll ist, hängt von Feuchtigkeit, Kondensation, Chemikalien, Verschleiß und der geforderten Lebensdauer ab.

Auch mechanisch darf ein gesinterter Neodym-Magnet nicht wie ein Stahlbauteil behandelt werden. Der Werkstoff ist spröde und kann bei Stoß, Biegung oder unkontrolliertem Aufeinanderschlagen ausbrechen. In einer robusten Konstruktion liefert der Magnet das Feld, während Gehäuse, Hülse, Klebstoff, Welle oder andere Strukturteile die mechanischen Lasten aufnehmen.

Hartferrit ist schwächer – aber häufig die sinnvollere Lösung

Hartferrit erreicht nicht die magnetische Energiedichte von NdFeB. Für dieselbe magnetische Wirkung wird deshalb häufig ein größeres Magnetvolumen benötigt. Das ist jedoch nur dann ein Nachteil, wenn Bauraum, Masse oder Leistungsdichte tatsächlich kritisch sind.

Wenn ausreichend Platz zur Verfügung steht, kann Hartferrit aufgrund niedriger Werkstoffkosten und guter Korrosionsbeständigkeit die wirtschaftlichere Lösung sein. Ferritmagnete benötigen für typische Umgebungsbedingungen keine zusätzliche Korrosionsschutzbeschichtung und werden seit Jahrzehnten in großen Serien für Motoren, Lautsprecher, Haltesysteme und andere industrielle Produkte eingesetzt.

Auch das Temperaturverhalten unterscheidet sich grundsätzlich von NdFeB. Hartferrit ist für vergleichsweise hohe Einsatztemperaturen geeignet, gleichzeitig nimmt seine Remanenz mit steigender Temperatur ab. Die Koerzitivfeldstärke zeigt jedoch ein anderes Temperaturverhalten als bei NdFeB. Dadurch können bei sehr niedrigen Temperaturen und einem ungünstigen Arbeitspunkt ebenfalls irreversible Verluste auftreten. „Temperaturbeständig“ bedeutet deshalb auch bei Ferrit nicht, dass der Magnetkreis ohne Prüfung beliebig betrieben werden kann.

Entscheidend ist letztlich nicht, welcher einzelne Magnetblock im Katalog stärker ist, sondern wie groß, schwer und teuer das vollständige Magnetsystem wird. Ein größerer Hartferritmagnet kann technisch sinnvoller sein als ein kleiner NdFeB-Magnet, wenn die Konstruktion genügend Raum bietet und der Kostenvorteil bei hoher Stückzahl überwiegt.

SmCo und AlNiCo – wenn Temperatur den Magnetwerkstoff bestimmt

SmCo für hohe Temperaturen und starke Gegenfelder

Samarium-Cobalt-Magnete verbinden hohe magnetische Leistung mit sehr guter Temperatur- und Korrosionsstabilität. Gleichzeitig verfügen geeignete SmCo-Werkstoffe über eine hohe Koerzitivfeldstärke. Das macht sie besonders interessant, wenn ein Magnet gleichzeitig erhöhten Temperaturen und entmagnetisierenden Gegenfeldern ausgesetzt ist.

Solche Bedingungen treten beispielsweise in Spezialmotoren, Hochgeschwindigkeitsantrieben, Aktoren, Sensoren sowie Anwendungen in Luft- und Raumfahrt auf. Bei erhöhten Temperaturen kann SmCo einen größeren magnetischen Sicherheitsabstand bieten als eine NdFeB-Güte, die bereits nahe an der Grenze ihres zulässigen Arbeitspunkts betrieben wird.

SmCo benötigt aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit häufig weniger zusätzlichen Oberflächenschutz als gesintertes NdFeB. Dem stehen höhere Werkstoffkosten und eine ausgeprägte Sprödigkeit gegenüber. Der Einsatz lohnt sich daher vor allem dort, wo Temperaturstabilität, Entmagnetisierungsfestigkeit und langfristige Feldstabilität wichtiger sind als der niedrigste Stückpreis.

AlNiCo ist temperaturstabil, aber empfindlicher gegen Entmagnetisierung

AlNiCo nimmt im Vergleich der Dauermagnetwerkstoffe eine besondere Stellung ein. Der Werkstoff besitzt eine sehr gute Temperaturstabilität und kann je nach Werkstoffgüte bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden als typische NdFeB-Magnete.

Seine wesentliche Einschränkung ist die relativ geringe Koerzitivfeldstärke. Starke äußere Gegenfelder oder ein ungünstig ausgelegter Magnetkreis können AlNiCo deshalb leichter teilweise entmagnetisieren. Magnetform, Polstücke, Luftspalt und Rückschluss müssen bei diesem Werkstoff besonders sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.

AlNiCo sollte daher nicht nur deshalb gewählt werden, weil eine Anwendung heiß wird. Es eignet sich besonders dann, wenn hohe Temperaturstabilität benötigt wird und gleichzeitig ein günstiger, stabiler Arbeitspunkt im Magnetkreis sichergestellt werden kann.

Kunststoffgebundene Magnete lösen ein anderes Konstruktionsproblem

Kunststoffgebundene Dauermagnete kombinieren magnetisches Pulver mit einem polymeren Binder. Je nach Anwendung können Hartferrit, NdFeB oder andere magnetische Werkstoffe als magnetische Phase eingesetzt werden. Die Fertigung erfolgt beispielsweise durch Spritzgießen oder Formpressen.

Ihre größte Stärke ist nicht die maximal erreichbare Energiedichte, sondern die konstruktive Freiheit. Komplexe Geometrien, dünne Wandstärken, definierte Mehrpolmagnetisierungen und direkt integrierte Achsen, Buchsen oder andere Einlegeteile können in einem Bauteil realisiert werden. Das ist besonders bei Sensoren, Encoderringen, Rotoren und Großserien interessant.

Da ein Teil des Bauteilvolumens vom Kunststoffbinder eingenommen wird, erreicht ein kunststoffgebundener NdFeB-Magnet normalerweise nicht die magnetische Energiedichte eines voll dichten gesinterten NdFeB-Magneten. Dafür können Bearbeitung, Montage und zusätzliche Einzelteile entfallen. Bei hohen Stückzahlen kann dadurch das Gesamtsystem trotz schwächerer magnetischer Kennwerte wirtschaftlicher werden.

Motoren, Sensoren, Magnetabscheider und Haltemagnete brauchen unterschiedliche Eigenschaften

In einem Elektromotor arbeitet der Dauermagnet als Teil eines elektromagnetischen Kreises. Entscheidend sind nicht Haftkraft oder Oberflächenfeld, sondern Remanenz, Koerzitivfeldstärke, Luftspalt, Rotor- und Statorgeometrie, Gegenfelder und Temperatur. NdFeB ermöglicht aufgrund seiner hohen Energiedichte kompakte Motoren mit hoher Leistungs- und Drehmomentdichte. Bei hohen Temperaturen oder besonders starken Gegenfeldern kann dagegen eine hochkoerzitive NdFeB-Güte oder SmCo erforderlich werden.

Bei einem Sensor kann maximale Magnetkraft sogar zweitrangig sein. Entscheidend ist das reproduzierbare Magnetfeld am tatsächlichen Ort des sensitiven Elements. Abstand, Magnetform, Magnetisierungsart, Feldrichtung und Temperaturdrift können für die Signalqualität wichtiger sein als ein besonders hoher Wert von (BH)_max.

Bei einem Magnetabscheider zählt ebenfalls nicht nur der Werkstoff. Polanordnung, Arbeitsabstand, Schichthöhe des Förderguts, Feldstärke, Feldgradient und Führung des Materialstroms bestimmen gemeinsam die Abscheideleistung. Für grobe Eisenteile und große Arbeitsabstände wird ein anderes Magnetfeld benötigt als für sehr feine ferromagnetische Verunreinigungen nahe an der Magnetoberfläche.

Deshalb kann ein Magnetabscheider mit einem technisch gut ausgelegten Feld wirksamer sein als ein System, das lediglich den stärkeren Magnetwerkstoff verwendet. Bei Überbandmagneten, Magnettrommeln oder Magnetstäben muss die Feldgeometrie zur Korngröße, Schichthöhe, Fördergeschwindigkeit und zum gewünschten Abscheideziel passen.

Bei Haltemagneten ist dagegen die im Datenblatt angegebene Haftkraft besonders kritisch zu interpretieren. Die Nennwerte gelten normalerweise unter definierten Bedingungen mit einem geeigneten, ausreichend dicken Stahlgegenstück und möglichst kleinem Luftspalt. Lack, Zunder, Schmutz, Unebenheiten oder eine zu dünne Stahlplatte können die tatsächlich verfügbare Kraft deutlich reduzieren.

Auch die Lastrichtung spielt eine Rolle. Eine axial gemessene Haftkraft ist nicht mit der Kraft gleichzusetzen, die ein Magnet bei seitlicher Belastung an einer senkrechten Stahlfläche übertragen kann. Für solche Anwendungen ist die Verschiebekraft beziehungsweise die verfügbare Reibkraft häufig der praktisch wichtigere Wert.

Der Magnetkreis ist genauso wichtig wie die Magnetgüte

Die Leistung eines Dauermagneten lässt sich nicht allein aus Remanenz oder Oberflächenflussdichte ableiten. Ein Permanentmagnet arbeitet an einem bestimmten Punkt seiner Entmagnetisierungskurve. Dieser Arbeitspunkt wird durch die Geometrie des Magneten und den gesamten äußeren Magnetkreis bestimmt.

Magnetlänge, Querschnitt, Luftspalt, Polstücke und magnetischer Rückschluss beeinflussen die Arbeitsgerade und damit den Arbeitspunkt. Ein größerer Luftspalt verschlechtert in der Regel den magnetischen Kreis und erhöht den magnetischen Widerstand. Gleichzeitig können Streuflüsse dazu führen, dass ein Teil des verfügbaren magnetischen Potenzials nicht in der eigentlichen Arbeitszone genutzt wird.

Das ist auch der Grund, warum der einfache Austausch eines Ferritmagneten gegen einen kleineren Neodym-Magneten nicht automatisch zu einem optimalen Ergebnis führt. Wenn Magnetgeometrie, Luftspalt und Rückschluss unverändert bleiben, kann der neue Magnet an einem ungünstigen Arbeitspunkt betrieben werden oder sein zusätzliches Energiepotenzial nicht vollständig nutzen.

Bei kritischen Anwendungen sollte deshalb die Entmagnetisierungskurve der konkreten Werkstoffgüte bei der tatsächlichen Betriebstemperatur betrachtet werden. Bei komplexer Geometrie, kleinen Luftspalten oder hohen Anforderungen an Feldhomogenität und Entmagnetisierungssicherheit ist eine numerische Magnetfeldsimulation häufig sinnvoll.

Seltene Erden machen die Werkstoffwahl auch zu einer Lieferkettenfrage

NdFeB- und SmCo-Magnete sind von Rohstoffen abhängig, deren Versorgung stark konzentriert ist. NdFeB enthält insbesondere Neodym und Praseodym; hochkoerzitive Werkstoffkonzepte können zusätzlich Dysprosium oder Terbium einsetzen. Bei SmCo kommen Samarium und Cobalt hinzu.

Diese Rohstoffe sind für Elektromotoren, Generatoren, Robotik, Automatisierung, Elektronik, Windenergie und zahlreiche weitere Hochtechnologieanwendungen relevant. Für die industrielle Beschaffung bedeutet das, dass neben Magnetkennwerten zunehmend auch Herkunft, Verfügbarkeit, Preisrisiko und Recyclingfähigkeit berücksichtigt werden.

Eine hohe Abhängigkeit bei Seltenen Erden und Seltenerd-Permanentmagneten macht die Materialwahl deshalb auch zu einer Frage der Lieferkettenresilienz. Gleichzeitig werden neue NdFeB-Güten mit reduziertem Einsatz schwerer Seltener Erden sowie Recyclingverfahren für gebrauchte Permanentmagnete entwickelt.

Das ist kein Argument gegen Neodym. In kompakten Hochleistungsmotoren, Aktoren und vielen anderen Baugruppen bleibt NdFeB häufig der technisch beste Werkstoff. Es ist jedoch sinnvoll zu prüfen, ob die geforderte Funktion tatsächlich eine hohe Seltenerd-Magnetleistung erfordert oder ob ein größerer Ferrit-Magnetkreis dieselbe Aufgabe mit geringerer Rohstoffabhängigkeit erfüllen kann.

Was sollte bei der Auswahl eines Dauermagneten geprüft werden?

Ein Dauermagnet sollte nicht als isoliertes Katalogteil, sondern als Bestandteil eines magnetischen, thermischen und mechanischen Systems spezifiziert werden. Vor der Freigabe einer Konstruktion lohnt sich deshalb eine systematische technische Prüfung.

• Magnetische Aufgabe: Zuerst muss klar sein, ob hohe Flussdichte, große Haftkraft, tiefe Feldwirkung, ein bestimmter Feldgradient oder lediglich ein stabiles Referenzfeld benötigt wird.
• Remanenz und Energieprodukt: B_r und (BH)_max beschreiben die Leistungsfähigkeit des Werkstoffs, ersetzen aber nicht die Auslegung des Magnetkreises.
• Koerzitivfeldstärke: H_cJ muss bei der höchsten vorgesehenen Betriebstemperatur genügend Reserve gegenüber den auftretenden Gegenfeldern bieten.
• Arbeitspunkt: Magnetgeometrie, Luftspalt, Polstücke und Rückschluss bestimmen die Arbeitsgerade und den tatsächlichen Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve.
• Einsatztemperatur: Die Temperaturgrenze muss für die konkrete Werkstoffgüte und den realen Magnetkreis geprüft werden. Pauschale Grenzwerte für „Neodym“, „Ferrit“ oder „SmCo“ reichen dafür nicht aus.
• Korrosionsschutz: Bei gesintertem NdFeB müssen Beschichtung oder Kapselung zu Feuchtigkeit, Kondensation, Chemikalien, Verschleiß und Lebensdauer passen.
• Mechanische Einspannung: Spröde Magnete sollten gegen Stoß, Biegung und unkontrollierte Kontaktkräfte geschützt werden und keine konstruktive Tragfunktion übernehmen, für die sie nicht ausgelegt sind.
• Reale Haftbedingungen: Bei Haltesystemen sind Luftspalt, Lack, Schmutz, Stahlgüte, Blechdicke, Kontaktfläche und Lastrichtung wichtiger als eine einzelne Katalogangabe zur Haftkraft.
• Fertigungsverfahren: Gesinterte, gegossene, kunststoffgebundene und spritzgegossene Magnete bieten unterschiedliche Möglichkeiten bei Geometrie, Toleranzen, Magnetisierung und Montageaufwand.
• Stückzahl und Rohstoffrisiko: Bei Serienprodukten sollten nicht nur Magnetkosten, sondern auch Verfügbarkeit von Nd, Pr, Dy, Tb, Sm und Co sowie mögliche Recycling- oder Substitutionsstrategien berücksichtigt werden.

Der beste Dauermagnet ist damit nicht automatisch der Werkstoff mit der höchsten Remanenz oder der größten Haftkraft im Datenblatt. Entscheidend ist der Magnetkreis, der die geforderte Feldwirkung über den gesamten Temperaturbereich und die reale Lebensdauer zuverlässig erreicht und dabei Bauraum, Kosten, Fertigung und Versorgungssicherheit sinnvoll miteinander verbindet.

Quellen und weiterführende Informationen

• DIN EN IEC 60404-8-1:2024-05 – Hartmagnetische Werkstoffe (Dauermagnete)
• OVE EN IEC 60404-8-1:2024 – Magnetische Werkstoffe – Hartmagnetische Werkstoffe
• VACUUMSCHMELZE – NdFeB-Magnete VACODYM
• VACUUMSCHMELZE – Permanentmagnete aus NdFeB und SmCo
• Magnetfabrik Bonn – Technische Lieferbedingungen für Hartferritmagnete
• Magnetfabrik Bonn – Technische Lieferbedingungen für AlNiCo-Magnete
• maxon – Neodym-Magnete und hohe Leistungsdichte in DC-Motoren
• maxon – Optimierte Magnetkreise in bürstenlosen DC-Motoren
• STEINERT – Magnetabscheider und magnetische Sortiersysteme
• STEINERT – Überbandmagnete, Arbeitsabstand und Schichthöhe
• supermagnete – Haftkraft, Verschiebekraft und Einfluss des Luftspalts
• Deutsche Rohstoffagentur (DERA) – Permanentmagnete und Seltene Erden
• BGR / DERA – Versorgungslage bei Seltenen Erden