Manufacturing of More Sustainable Nd-Fe-B Permanent Magnets using the 2-Powder Method

Permanent magnets based on rare earth elements (REEs), as the Nd-Fe-B system, are a key material in overcoming climate change, due to their usage in traction motors of electric vehicles or generators in wind turbines. However, if Nd-Fe-B magnets are used at elevated temperatures, the critical heavy rare earth elements (HREs) such as Dy or Tb have been added to increase temperature stability. To reduce the usage of HREs to a minimum, an additional time- and energy-intensive diffusion process, the so-called grain boundary diffusion process (GBDP), is conventionally used. The GBDP leads to a decreased criticality but to an enhanced energy demand during magnet manufacturing. In order to maintain the advantage of the GBDP of reducing criticality but without the disadvantages of requiring additional energy-intensive thermal treatments, the 2-powder method for manufacturing of Nd-Fe-B sintered magnets was developed.

The 2-powder method (2PM) for the production of more sustainable and less critical high-performance Nd₂Fe₁₄B-based sintered magnets is investigated by blending coarse HRE-free main phase powders (MPs) with finer HRE-containing anisotropy powders (APs). In the first part of this work, a proof-of-concept is demonstrated with all processing steps up to a 20 kg range by using the manufacturing methods of strip casting, hydrogen decrepitation, and jet milling on an industrially relevant pilot line for magnet production at Fraunhofer IWKS, Hanau. Blending a HRE-free MP (D₅₀ = 5.3 μm) and a finer HRE-containing AP (D₅₀ = 2.6 μm) with a Dy content of 10 wt.%, the development of a HRE-enriched core-shell structure is observed, and the magnetic properties and the microstructure are analyzed in detail. As a result, the coercivity was enhanced from an initial value of 1342 kA/m without Dy to 1457 kA/m, 1601 kA/m, and finally 1735 kA/m, having 1, 2, and 3 wt.% Dy respectively without a significant decrease in remanence. Further microstructural investigations show the formation of a core-shell development, in which the HREs are only located in the outer regions of the grains, the shell regions. For a better understanding of the core-shell development, the diffusion behavior of the 2PM is investigated, and the diffusion coefficient for Dy is determined to be D = (1.83 ± 0.54) 10⁻¹¹ cm²/s.

In the second part of this work, the enabling of the production of big HRE lean magnets with a homogeneous microstructure is shown, and thus the utilization of the 2PM for industrial magnet manufacturing is demonstrated. At first, the particle size effect is investigated by engineering a finer and a larger MP (D₅₀ = 3.7 and 5.4 μm) and four different APs with average particle sizes of D₅₀ = 2.5, 3.1, 3.6, and 4.0 μm. As a result, the coercivity gain is determined to be between 350 – 450 kA/m, and roughly 100 kA/m is attributed to the particle size effect, meaning that finer grain sizes lead to higher coercivity enhancements. The possibility of producing magnets with a core-shell structure independent of their size by using the 2PM is demonstrated on a 340g big cylindrical magnet with dimensions of approximately 45 mm in height and 40 mm in diameter, containing 2 wt.% Dy. The magnetic properties are determined to be 1.32 T in remanence and 1408 kA/m in coercivity, leading to an energy product of 336 kJ/m³. Microstructural investigations of the core-shell development show that the grain size and core thickness after sintering increase with increasing size of the initial powder mixtures. On the other hand, the shell thickness is always in the same range of approximately 2 μm, independent of the particle size of the MP and AP, showing that precipitation of the Dy atoms of the AP has a crucial role in core-shell development. Next, the approach of removing the finest powder particle fraction of less than 1 μm is investigated, leading to better magnetic properties for magnets produced out of the MP only. However, the coercivity gain by using the 2PM is less significant and is attributed to an increased nitrogen pickup during jet milling, which could be avoided if, for example, argon is chosen as milling gas.

Finally, a life-cycle-assessment (LCA) compares the global warming potentials of conventional magnet manufacturing, the industrial used GBDP, and the 2PM. The LCA shows that about 8 % more CO2-eq./kg is consumed in the additional GBDP steps. On the other hand, the 2PM consumes only 2 % more CO2-eq./kg. Therefore, the potential of the 2PM as an alternative manufacturing method for the production of more sustainable and less critical Nd-Fe-B magnets for climate-friendly applications is proven and demonstrated on an industrially relevant scale.

Permanentmagnete auf Basis von Seltenen Erden (SE) wie das Materialsystem Nd-Fe-B, sind aufgrund ihrer Verwendung in Traktionsmotoren von Elektrofahrzeugen oder Generatoren in Windraftanlagen ein Schlüsselmaterial zur Bewältigung des Klimawandels. Werden Nd-Fe-B Magnete jedoch bei erhöhten Temperaturen eingesetzt, müssen die kritischen schweren Seltenen Erden (SSE) Dy oder Tb hinzugegeben werden, damit die Temperaturbeständigkeit verbessert wird. Um den Einsatz an SSE auf ein Minimum zu reduzieren, wird herkömmlicherweise ein zusätzlicher zeit- und energieintensiver Diffusionsprozess, der sogenannte Korngrenzdiffusionsprozess (engl. grain boundary diffusion process, GBDP) angewendet. Durch die Anwendung des GBDP wird zwar die Kritikalität reduziert, allerdings stiegt der Energiebedarf für die Magnetherstellung. Um den Vorteil des GBDP, nämlich die Reduzierung der Kritikalität beizubehalten, ohne jedoch die Nachteile der zusätzlichen energieintensiven Wärmebehandlung in Kauf nehmen zu müssen, wurde die 2-Pulvermethode (2PM) zur Herstellung von Nd-Fe-B Sintermagneten entwickelt.

Die 2-Pulvermethode (2PM) zur Herstellung von nachhaltigeren Hochleistungs-Sintermagneten auf der Basis von Nd₂Fe₁₄B wird durch das Mischen eines groben SSE freien Hauptphasenpulvers (HP) mit einem SSE haltigen Anisotropiepulver (AP) untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird unter Verwendung der Fertigungsprozesse des Strip Castings, der Wasserstoffversprödung und der Feinstzerkleinerung mittels Strahlmahlen, der Machbarkeitsnachweis erbracht. Dabei werden alle Prozessschritte bis zu einem Maßstab von 20 kg anhand einer Pilotlinie für die Magnetherstellung des Fraunhofer IWKS in Hanau durchgeführt. Genauer gesagt, wird durch das Vermischen eines SSE freien HP (D₅₀ = 5,3 μm) und eines feineren SSE haltigen AP (D₅₀ = 2,6 μm) mit einem Dy-Gehalt von 10 Gew.%, die Entstehung einer Kern-Schale-Struktur (engl. core-shell) beobachtet, sowie die magnetischen Eigenschaften und die Mikrostruktur im Detail analysiert. Als Ergebnis wurde die Koerzivfeldstärke von anfänglich 1342 kA/m ohne Dy, auf 1457 kA/m, 1601 kA/m und schließlich 1735 kA/m erhöht, wobei jeweils 1, 2 und 3 Gew.-% Dy verwendet wurden. Die Remanenz zeigt dabei keine signifikante Verringerung. Weitere Untersuchungen der Mikrostruktur zeigen die Bildung einer Kern-Schale-Struktur, bei der die SSE nur in den äußeren Bereichen der Körner, den Schalen, angereichert sind. Zum besseren Verständnis der Entstehung der Kern-Schale-Struktur wird das Diffusionsverhalten der 2PM untersucht und der Diffusionskoeffizient für die SSE Dy mit D = (1,83 ± 0,54) ∙ 10⁻¹¹ cm²/s bestimmt.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Herstellung von großen SSE armen Magneten mit einer homogenen Mikrostruktur gezeigt, was die Verwendung der 2PM in einer industriellen Magnetfertigung demonstriert. Dazu wird zunächst der Einfluss der Partikelgröße untersucht, indem ein feineres und ein gröberes HP (D₅₀ = 3,7 und 5,4 µm) und vier verschiedene APs mit durchschnittlichen Partikelgrößen von 2,5, 3,1, 3,6 und 4,0 µm hergestellt werden. Als Ergebnis nimmt die Koerzivität zwischen 350 – 450 kA/m zu, wobei ca. 100 kA/m auf den Partikelgrößeneffekt zurückzuführen sind, da feinere resultierende Korngrößen zu höheren Zunahmen der Koerzivität führen. Die Möglichkeit, große Magnete mit einer Kern-Schale-Struktur unabhängig von ihren Dimensionen mittels der 2PM herzustellen, wurde anhand eines 340 g großen zylindrischen Magneten mit den Maßen von ungefähr 45 mm Höhe und 40 mm Durchmesser demonstriert. Dieser Magnet beinhaltet 2 Gew.% Dy. Die resultierenden magnetischen Eigenschaften sind 1,32 T Remanenz und 1408 kA/m Koerzivität was zu einem Energieprodukt von 336 kJ/m³ führt.

Mikrostrukturuntersuchungen der Kern-Schale-Struktur zeigen, dass die Korngröße und die Dicke der Kerne nach dem Sintern mit zunehmender Größe der ursprünglichen Pulvermischungen zunehmen. Die Dicke der Schalen bleibt dahingegen mit ca. 2 µm die gleiche. Das zeigt, dass die Ausscheidung der Dy-Atome des APs eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Kern-Schale-Struktur einnimmt. Des Weiteren wird der Ansatz untersucht, die feinsten Pulverpartikel kleiner als 1 µm zu entfernen, was zu besseren magnetischen Eigenschaften der Magnete führt, welche nur aus dem HP hergestellt werden. Wird die 2PM angewendet, ist die Zunahme in der Koerzivität geringer, was auf eine erhöhte Stickstoffzunahme während des Mahlens zurückzuführen ist. Das wiederum könnte durch Verwendung von zum Beispiel Argon als Mahlmedium vermieden werden.

Letzten Endes vergleicht eine Lebenszyklusanalyse (engl. life-cycle-assessment, LCA) das Erderwärmungspotential für die konventionelle Magnetherstellung, den industriell eingesetzten GBDP und die 2PM. Die LCA zeigt, dass die zusätzlichen Prozessschritte des GBDP ca. 8% mehr CO2-eq./kg emittieren und die 2PM lediglich nur 2 % mehr CO2-eq./kg. Dies unterstreicht das Potenzial der 2PM als alternatives Herstellverfahren zur Produktion von nachhaltigeren und weniger kritischen Nd-Fe-B Magneten für klimafreundliche Anwendungen unter industrienahen Bedingungen.