Grain Boundary Engineering in Sintered Nd-Fe-B Permanent Magnets for Efficient Utilization of Heavy Rare Earth Elements

Im ersten Teil der Doktorarbeit wurde die Diffusion von Seltenerd-Elementen in kommerziellen Nd-Fe-B basierten Permanentmagneten untersucht. Eine starke Temperaturabhangigkeit der Diffusionsweite und der daraus resultierenden Veranderungen der magnetischen Eigenschaften konnte festgestellt werden. Der Anstieg der Koerzitivfeldstarke von ≈+350 kA/m fur Dy als Diffusionsquelle ist maximal bei der optimalen Gluhtemperatur von 900 °C. Nach einer sechsstundigen Gluhbehandlung bei dieser Temperatur wurde mit einer Hall Sonde eine Diffusionsweite von Dy von etwa 4 mm beobachtet. Dies entspricht auch ungefahr der maximalen Dicke, die ein korngrenzenmodifizierter Magnet in Diffusionsrichtung haben darf, wenn homogene magnetische Eigenschaften erreicht werden mussen. Die Gefugeveranderung in den diffusionsbehandelten Magneten wurden mit Elektronenmikroskopie und energie- bzw. wellenlangendispersiver Rontgenspektroskopie untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Diffusion von Dy uber die Korngrenzen des Nd-Fe-B Magneten geschieht. Das partielle Aufschmelzen der Ausenbereiche der Korner fuhrt hierbei zur Bildung sogenannter (Nd,Dy)-Fe-B Schalen. Diese Schalen sind in direkter Oberflachennahe des Magneten einige µm breit, werden mit zunehmender Diffusionsweite aber schmaler, bis sie nach etwa 0.5 mm nur noch einige nm breit sind. In einer Eindringtiefe von 1.5 mm wurde mit Transmissionselektronenmikroskopie eine Dy Konzentration von etwa 1 at. % in den Schalen nachgewiesen. Die Untersuchung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Dy und anderen seltenen Erden (Tb, Ce, Gd) in Nd-Fe-B Magneten zeigt, dass Tb signifikant schneller und Ce etwas langsamer diffundiert als Dy. Dies wurde mit Unterschieden in den jeweiligen Phasendiagrammen erklart. Das Einbringen von Gd in die Korngrenzenbereiche hat eine schadliche Wirkung auf die Koerzitivfeldstarke. Die nanoskalige Tb Elementverteilung um eine Korngrenze wurde mittels hochaufgeloster Rastertransmissionselektronenmikroskopie dargestellt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht eine experimentelle Herstellungsmethode fur gesinterte (Nd,Dy) Fe B Magneten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass vor dem Sintern ein Dy - freies Basispulver (BP) und ein Dy - reiches Anisotropiepulver (AP) miteinander gemischt werden. Das Gefuge der spateren Magnete zeigt eine ausgepragte Kern - Schalen Struktur, ahnlich dem Gefuge in den Randbereichen korngrenzendiffundierter Magnete. Vorteilhaft an deuen Technik ist, dass Proben beliebiger Grose hergestellt werden konnen, ohne die geometrischen Beschrankungen des Korngrenzen-diffusionsprozesses. Eine Neuerung gegenuber bestehender Literatur ist, dass das AP hauptsachlich aus (Nd,Dy) Fe B φ - Phase besteht, anstelle von elementarem Dy oder binaren Dy - reichen Verbindungen. Die Hauptvorteile dieser Herangehensweise sind, das keine unerwunschten Zweitelemente in den Magneten eingebracht werden und eine starke Erniedrigung der Sintertemperatur erreicht wird. Von den untersuchten AP Verbindungen wurden hierbei die besten magnetischen Eigenschaften mit thermisch homogenisiertem (Nd0.725Dy0.275)15Fe79B6 erzielt. Allerdings ist die Koerzitivfeldstarke trotzdem geringfugig kleiner als die eines aus einem Pulver hergestellten Vergleichsmagneten. Ein mogliche Erklarung ist, dass ein Teil des AP beim Sintern nicht aufschmilzt und so das in den Partikeln enthaltene Dy nicht auf die Korngrenzen wirken kann. Zur Verbesserung des Prozesses wird die Verwendung von komplexeren Mahltechniken als das in dieser Arbeit zur Verfugung stehende Planetenkugelmahlen vorgeschlagen.