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Der Korngrenzendiffusionsprozess in nanokristallinen Nd-Fe-B-Permanentmagneten

Sawatzki, Simon :
Der Korngrenzendiffusionsprozess in nanokristallinen Nd-Fe-B-Permanentmagneten.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Der Korngrenzendiffusionsprozess in nanokristallinen Nd-Fe-B-Permanentmagneten
Language: German
Abstract:

Die Energie, die in einem Permanentmagneten „gespeichert“ werden kann, gilt als ein Maß für die Leistungsstärke eines Magneten und kann durch das maximale Energieprodukt (BH)max charakterisiert werden. Die Verwendung von Nd-Fe-B-Permanentmagneten mit höchstem (BH)max bei Raumtemperatur im Vergleich zu allen anderen existierenden Materialien, macht die permanentmagneterregten Motoren wesentlich effizienter als die induktionsbasierten Maschinen d.h. es kann die gleiche Leistung bei geringerer Masse und Volumen bereitgestellt werden. Diese Effizienz ist gerade für die mobile Anwendung wie der Elektromobilität oder den off-shore Windgeneratoren von Vorteil. Allerdings führt der negative Temperaturkoeffizient der magnetokristallinen Anisotropie zu einer starken Reduzierung der Koerzitivfeldstärke bei erhöhten Temperaturen. Da sich Permanentmagnete in der Anwendung, durch z.B. Wirbelstromverluste in den Magneten, auf Temperaturen von bis zu 180°C aufheizen, werden üblicherweise schwere Seltenerden (SSE) wie Dy oder Tb der Nd-Fe-B-Ausgangslegierung hinzugefügt, um eine (Dy,Nd)2Fe14B oder (Tb,Nd)2Fe14B-Mischphase mit erhöhtem Anisotropiefeld Ha zu erzeugen. Dies führt zu einer Reduzierung der Sättigungspolarisation Js mit zunehmendem SSE-Anteil. Weitere Aspekte sind die starken Preisschwankungen der Seltenerden (SE), die kürzlich zu einer globalen SE-Krise geführt haben, sowie die langfristige Ressourcenkritikalität speziell der SSE. Eine vielversprechende Methode den SSE-Anteil in Nd-Fe-B-Magneten zu reduzieren, ist der Korngrenzendiffusionsprozess (engl. Grain Boundary Diffusion Process, GBDP). Dieser führt im Idealfall zu einer deutlichen Erhöhung der Koerzitivfeldstärke Hc ohne die Remanenz zu reduzieren und ist im Herstellungsprozess von gesinterten mikrokristallinen Nd-Fe-B-Magneten bereits etabliert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GBDP auf nanokristalline Magnete, die eine deutlich bessere Temperaturstabilität bei den üblichen Betriebstemperaturen und eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweisen, erfolgreich übertragen. Für die Herstellung von nanokristallinen Magneten kam die bereits etablierte Methode der Heißumformung zum Einsatz. Dieser Herstellungsprozess machte es möglich, verschiedene Legierungszusätze wie DyF3 aber auch selbst hergestellte niedrigschmelzende Legierungen wie Dy70Cu30 oder Dy73Ni9,5Al17,5 vor der Kompaktierung hinzuzugeben und durch die kurzen Prozesszeiten und niedrigen Prozesstemperaturen im Vergleich zum Sinterprozess eine homogene Dy-Verteilung zu vermeiden. Es hat sich gezeigt, dass bei einer anschließenden Wärmebehandlung bei 600°C eine Dy-Diffusion entlang der Korngrenzen angeregt werden kann, ohne signifikantes Kornwachstum zu induzieren. Für DyF3 zeigte sich zudem, dass die Diffusion von F entlang der Bandgrenzen eine entscheidende Rolle spielt. Die Dy-F-reichen Einschlüsse führten weiterhin zu einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstand und einer Reduzierung der Wirbelstromverluste. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM)-Untersuchungen, an Dy70Cu30-modifizerten Proben, belegen die Bildung von 5-10 nm dicken Dy-reichen Hüllen sowie eine kristallographische Orientierungsabhängigkeit der Dy-Diffusion in die Nd2Fe14B-Körner. Durch eine Reduzierung der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Legierungen mittels Zugabe von Nd und durch eine Partikelfeinung mittels Planetkugelmahlens konnte zum einen die Dy-Verteilung optimiert und zum anderen die Diffusionswege deutlich verkürzt werden. Infolgedessen wurde der effektive Anstieg in Hc pro m.%Dy im Vergleich zu einer homogenen Dy-Verteilung deutlich erhöht. Eine schnellere Umformgeschwindigkeit machte es ferner möglich die Bildung von Ausscheidungen und das Kornwachstum auf ein Minimum zu reduzieren und auch die Absolutwerte in Hc zu verbessern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The energy, which can be “stored” within a permanent magnet, is commonly considered as a criterion for the performance of a magnet and can be characterized by the maximum energy product (BH)max. As Nd-Fe-B permanent magnets have the highest (BH)max at room temperature compared to all other existing materials, motors using Nd-Fe-B magnets are more efficient than induction based devices e.g. providing the same power with a smaller mass and volume. This efficiency is advantageous especially for mobile applications such as electro mobility or for off-shore wind generators. However, the negative temperature coefficient of the magnetocrystalline anisotropy leads to a strong reduction in coercivity at elevated temperatures. As permanent magnets in applications typically heat up to temperatures of up to 180°C because of e.g. eddy current losses within the magnets, heavy rare earth (HRE) elements such as Dy or Tb have to be added to the Nd-Fe-B precursor powder in order to form a (Dy,Nd)2Fe14B or a (Tb,Nd)2Fe14B mixed phase with enhanced anisotropy field Ha. As a consequence, the saturation polarization Js is reduced with increasing HRE content. Further aspects are the high price volatilities of the rare-earths (RE), which led to a global RE-crisis recently, as well as the long-term resource criticality of the HRE elements. In order to face these aspects one promising method to reduce the HRE content in Nd-Fe-B magnets is the grain boundary diffusion process (GBDP). This process ideally leads to strongly enhanced coercive fields Hc without reducing the remanence and is already established in the production of microcrystalline Nd-Fe-B sintered magnets. In this work, the GBDP has been successfully transferred to nanocrystalline magnets, which exhibit a better temperature stability at operation temperatures and a better corrosion resistance. For the preparation of nanocrystalline Nd-Fe-B magnets the established hot-deformation process was applied. The short pressing times and the low process temperatures compared to the sintering process allow adding different alloys such as DyF3 or low melting eutectics such as Dy70Cu30 or Dy73Ni9.5Al17.5 before compaction and still avoid a homogenous Dy-distribution. It was found that a subsequent annealing at 600°C promotes a Dy-diffusion along the grain boundaries without inducing a significant grain growth. For DyF3 it was moreover found that the diffusion of F along the flake boundaries plays an important role. Furthermore the Dy-F rich inclusions lead to an increase in the specific electrical resistivity and therefore a reduction in eddy current losses. High resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) analyses on Dy70Cu30-modified samples reveal the formation of 5-10 nm thick Dy-rich shells as well as a crystallographic orientation dependent Dy-diffusion into the Nd2Fe14B grains. By reducing the melting point of the low melting eutectics through Nd addition and by a particle refinement through planetary ball milling the Dy-distribution has been optimized and the diffusion paths drastically shortened, respectively. As a result, the effective increase in Hc per wt.% Dy could be enhanced significantly compared to a homogenous Dy-distribution. Furthermore, a faster deformation was shown to reduce the formation of precipitates and grain growth to a minimum and also to improve the absolute value of Hc.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Permanentmagnet, Nd-Fe-B, Korngrenzendiffusion, Seltenerde, Dysprosium
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
permanent magnet, grain boundary diffusion, rare earthEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Functional Materials
Date Deposited: 04 Mar 2016 13:48
Last Modified: 04 Mar 2016 13:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52219
Referees: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver and Schultz, Prof. Dr. Ludwig
Refereed: 4 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5221
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