Entwicklung von Gefüge- und Magneteigenschaften beim direkten Recycling von Fe-Nd-B-Basismagneten
Creators: name: Vogelgsang, David
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Recycling
e-mobility
Sintermagnete
Prozesstechnik
Prognosemodell
Fe-Nd-B
Seltenerdmetalle

description: Fe-Nd-B-Sintermagnete sind durch ihre guten hartmagnetischen Eigenschaften und ihr großes Energieprodukt die derzeit leistungsstärksten Dauermagnete bis ca. 230 °C Einsatztemperatur. Für den hocheffizienten Einsatz in Synchronelektromotoren spielen sie eine Schlüsselrolle für die Elektromobilität. Auch in Windkraftgeneratoren werden sie in großer Menge eingesetzt. Durch die Seltenerdmetalle, z.B. Neodym und Dysprosium, welche zu &gt; 95 % aus China bezogen werden, besteht eine große Rohstoffabhängigkeit. Um den steigenden Marktbedarf zu decken, wird es zukünftig notwendig sein, die Seltenerdmetalle durch Recycling im Kreislauf zu halten. Hierzu müssen die aktuell zur Verfügung stehenden Recyclingrouten untersucht werden, um ein umfassendes Verständnis aufzubauen. Bei der direkten Wiederverwendung der Magnete in neuen Produkten sind hinsichtlich der Anforderung an abweichende Geometrien der Magnete Grenzen gesetzt. Durch chemische Trennverfahren in die elementaren Rohstoffe können die Seltenerdmetalle rückgewonnen werden. Durch dieses energieintensive Verfahren zur Aufreinigung, fallen große Mengen Abwässer an. Beim direkten pulvermetallurgischen Recycling werden die Fe Nd B Sintermagnete pulverisiert und wieder der ursprünglichen pulvermetallurgischen Prozessroute zugeführt. Dabei muss ein gewisser Anteil seltenerdmetallreicher Legierung zugegeben werden. Hierdurch können im Vergleich zur Neumagnetherstellung Energie und Treibhausgase eingespart werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden als Ausgangsmaterialien Fe Nd B Sintermagnete für Hochtemperaturanwendungen bis 230 °C, Niedertemperaturanwendungen bis 60 °C und ein spezielles Korngrenzendiffusionsmaterial über das direkte pulvermetallurgische Recycling zu Recycling-Sintermagneten verarbeitet. Die Optimierung der Prozessparameter und Weiterentwicklung der Prozesstechnik mit einer Induktionsgussanlage, einem Wasserstoffrohrofen und einem Vakuum-Sinterofen erfolgt im Laufe der Arbeit. Durch Variation der Prozessparameter werden Recycling-Sintermagnete mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften hergestellt. Die Mikrostruktur dieser Sintermagnete wird über licht- und elektronenmikroskopische Verfahren untersucht. Auf Basis der Variation der Prozessparameter werden Korrelationen erstellt, um umfassendes Verständnis für die Entstehung der Gefüge- und Magneteigenschaften während des Recyclingprozesses aufzubauen. Mit Verwendung bestehender Modelle aus der Fachliteratur wird ein Prognose-Modell für die magnetischen Eigenschaften der Recycling-Sintermagnete erstellt. Das Modell wird mit den realen Werten verglichen. Die Recyclingsintermagnete aus HT-Ausgangsmaterial (HC = 2625 kA/m) zeigen nach dem Recycling die gleiche Remanenz (JR = 1.1 T). Das Koerzitivfeld der Recyclingsintermagnete liegt zwischen 1257 und 2010 kA/m und somit bei maximal 77 % des Ausgangsmaterials. Dies resultiert aus der Verringerung des Dy-Gehalts durch Zumischen der seltenerdmetallhaltigen Komponente zur Kompensation der durch Oxidation verloren gegangenen SE-Anteile. Der Wert kann durch das Prognose-Modell vorhergesagt werden. Das beste Ergebnis wird mit 10 min Mahlen des Ausgangsmaterials und Sintern für 1 h bei 1100 °C erreicht. Es muss bemerkt werden, dass die Abkühlgeschwindigkeit bei der anschließenden Wärmebehandlung entscheidend für die Größe von HC ist. Durch das Recycling des Dy freien N52 Niedertemperaturmaterials (HC = 1012 kA/m) werden Koerzitivfelder zwischen 775 und 1157 kA/m erreicht - dies entspricht bis zu 114 % des Ausgangsmaterials. Durch die Verringerung des Anteils der hartmagnetischen Phase sinkt die Remanenz auf durchschnittlich JR ≈ 1.2 T auf ca. 85 % im Vergleich zu der des Ausgangsmaterials von 1.41 T. Dieser Effekt kann durch das Prognose-Modell erklärt werden. Das beste Ergebnis wird mit 10 min Mahlen des Ausgangsmaterials und 1 h Sintern bei 1060 °C erreicht. Eine weitere Steigerung von HC bei leicht verringertem JR (-20 % im Vergleich zum Ausgangsmaterial) kann durch Zumischen der eutektischen Legierung E2 (Fe26 Nd67 B7) und Mahlen des Ausgangsmaterials für 30 min erreicht werden. Die Steigerung von HC wird durch den größeren Nd-Gehalt in den Recyclingsintermagneten erreicht. Im N52 Ausgangsmaterial liegt kein Dy vor, welches durch das Recycling verdünnt werden würde. Daher zeigt sich dieser Effekt für HC im Bereich von ca. 1000 kA/m. Bei Dy-haltigem HT-Ausgangsmaterial wird diese Steigerung durch die Verdünnung des Dy überlagert. Das Korngrenzendiffusionsmaterial erreicht sehr hohe Koerzitivfelder (HC = 2776 kA/m) durch die Ausbildung einer sehr dünnen Dy-reichen Schicht am Rand der hartmagnetischen Körner. Während des Recycling-Prozesses diffundiert das Dy ins Korninnere und senkt die magnetischen Eigenschaften ab. D.h. die spezielle Mikrostruktur mit Dy-reicher Schicht nahe der Korngrenzen wird durch den erneuten Sintervorgang zerstört. Durch Mahlen des Ausgangsmaterials für 10 min und Sintern für 1 h bei 1080 °C wird die Koerzitivfeldstärke HC = 1850 kA/m zu 67 % und die Remanenz zu 89 %, von 1.25 zu 1.11 T, wiederhergestellt. In einer abschließenden Betrachtung der Ökologie und Ökonomie für den direkten pulvermetallurgischen Recyclingprozess wird die Nachhaltigkeit der Vorgehensweise dargestellt. Für das Dy haltige HT Ausgangsmaterial wurde beispielsweise eine Energieeinsparung von ca. 70 % bei Zugabe von 40 Gew.-% Fe67-Nd26-B7 abgeschätzt. Hieraus können Kosteneinsparungen in Höhe von ca. 40 % im Vergleich zur Synthese eines Neumagneten mit vergleichbaren magnetischen Eigenschaften abgeleitet werden. Unter dieser Betrachtung liegt die Vermutung nahe, dass ein industrieller Recyclingprozess von wirtschaftlichem Interesse sein könnte - zusätzlich zum Vorteil der größeren Rohstoffunabhängigkeit.