Severe plastic deformation towards magnetic hardening in SmCo based alloys

Permanent magnets play a crucial role in numerous modern technologies. As key components for sustainable electricity generation and electromobility, they are decisive for reducing greenhouse gas emissions and combating climate change. The most commonly used permanent magnets, such as Nd-Fe-B and Sm-Co, are produced by powder metallurgical sintering. In this work, the unconventional process route of high-pressure torsion (HPT) of powder blends is investigated. The application of HPT to powder blends enables the free selection of different magnetic and binder phases. Simultaneously, the process leads to consolidation and thus bulk nanocomposite materials, that are inaccessible via conventional melting-based routes. Using powder blends of SmCo₅ and Cu or Sn, the effect of increasing number of rotations during HPT was studied in detail. Structural refinement was observed, reaching particle sizes within the region of the single domain particle size of SmCo₅ and well below the limits of SmCo₅ sintered magnets. Microstructural analyses revealed that refinement of the SmCo₅ phase is carried by first fragmentation via cracking, before the phase is plastically deformed. The decreasing SmCo₅ particle size, combined with magnetic decoupling of the hard magnetic phase by the diamagnetic Cu or Sn phase, results in increased coercivity. However, further refinement does not lead to further increase of the coercivity caused by partial amorphization of the SmCo₅ phase. The detrimental character of the amorphous hard magnetic phase was revealed by micromagnetic simulations. Furthermore, a deformation induced texture formation was found, leading to anisotropic magnetic properties. By selecting binder phases such as Ni, Co and Cr, different magnetic interaction mechanisms were studied. This work demonstrates that a wide variety of composite materials can be produced by HPT of powder blends, that are not accessible via conventional powder metallurgical sintering.

Permanentmagnete spielen eine entscheidende Rolle in zahlreichen modernen Technologien. Als Schlüsselkomponente für nachhaltige Stromerzeugung und Elektromobilität, sind sie wesentlich für die Reduktion von Treibhausgasen und den Kampf gegen den Klimawandel. Die meisten Permanentmagnete, wie Nd-Fe-B und Sm-Co, werden durch pulvermetallurgisches Sintern hergestellt. In dieser Arbeit wird der unkonventionelle Prozess des Hochdrucktorsionspressens (HPT) von Pulvergemischen untersucht. Die Anwendung von HPT auf Pulvermischungen ermöglicht dabei die freie Auswahl verschiedener magnetischer Phasen und Binderphasen. Gleichzeitig führt der Prozess zu einer Konsolidierung und damit zu Nanokompositmaterialien, die mit herkömmlichen Schmelzverfahren nicht zugänglich sind. Mit Hilfe von Pulvermischungen aus SmCo₅ und Cu oder Sn wurde der Einfluss einer steigenden Anzahl an Umdrehungen während des Hochdrucktorsionspressens detailliert untersucht. Dabei zeigte sich eine strukturelle Verfeinerung bis hin zu Partikelgrößen im Bereich der Einzeldomänenpartikelgröße von SmCo₅ und damit deutlich unterhalb der Grenzen von gesinterten SmCo₅-Magneten. Die Verfeinerung der SmCo₅-Phase erfolgt zu Beginn durch Fragmentierung mittels Rissbildung, bevor die Phase plastisch verformt wird, wie Mikrostrukturanalysen zeigen. Die abnehmende Partikelgröße von SmCo₅, in Verbindung mit der magnetischen Entkopplung der hartmagnetischen Phase durch die diamagnetische Cu- oder Sn-Phase, führt zu einer zunehmenden Koerzitivfeldstärke. Eine weitere Verfeinerung resultiert jedoch nicht in einer weiteren Erhöhung der Koerzitivfeldstärke. Grund hierfür ist die teilweise Amorphisierung der SmCo₅-Phase. Der nachteilige Charakter der amorphen hartmagnetischen Phase wurde durch mikromagnetische Simulationen aufgezeigt. Darüber hinaus konnte eine durch Verformung induzierte Texturbildung festgestellt werden, die in anisotropen magnetischen Eigenschaften resultiert. Durch die gezielte Auswahl von Binderphasen wie Ni, Co oder Cr, wurden verschiedene magnetische Wechselwirkungsmechanismen untersucht. Die Arbeit zeigt, dass durch HPT von Pulvermischungen eine Vielzahl von Verbundwerkstoffen hergestellt werden kann, die mit konventionellen pulvermetallurgischen Sinterverfahren nicht zugänglich sind.