Dysprosiumgehalts in NdFeB- Magneten

Transkript

1 Methoden zur Reduktion des Dysprosiumgehalts in NdFeB- Magneten Patrick Aeschlimann, Technopark-Zürich

2 Ablauf Grund für Reduktion Preis Verfügbarkeit Vergleichswerte Theorie Herausforderungen Ansätze

3 Preis Verfügbarkeit Vergleichswerte Theorie Herausforderungen Ansätze Preis China Inland-Preise für ausgesuchte Elemente (30. Juli 2013) Art Nd metal NdPr metal Gd metal Dy metal Tb metal Sm Metall Co metal Ga metal Preis/kg 62 USD 61.5 USD 132 USD 400 USD 643 USD 20 USD 34 USD 317 USD

4 Preis Verfügbarkeit Vergleichswerte Theorie Herausforderungen Ansätze Preis 1. Beispiel: Magnet wiegt 1kg EH-Grad Dy metal: % NdPrd: % EH-Grad Gramm USD Dy 120 g NdPrd 250 g Total Beispiel: Magnet wiegt 1kg SH-Grad Dy metal: 4-7 % NdPrd: 25-29% SH-Grad Gramm USD Dy 70 g NdPrd 290 g Total 53.90

5 Preis Verfügbarkeit Vergleichswerte Theorie Herausforderungen Ansätze Preis 6% Kostenersparnis pro 1% Dy-Reduktion (bezogen auf Totalgewicht) NdPr metal 61.5 USD Dy metal 400 USD Faktor 6.45

6 Verfügbarkeit Vorkommen schwerer Seltenerden

7 Die kommerziell ausschöpfbaren Vorkommen von schweren Seltenerden sind weit seltener als diejenigen der leichten Seltenerden. Das Gleichgewicht liegt bei ca. 2% Dy in NdFeB Magneten. Ansonsten entsteht eine Verknappung von Dy, die zu wesentlichen Preissteigerungen führt.

8 Vergleichswerte 2:14:1 Werte in Theorie und Praxis Legierung IS Ha Tc Is max Ha Is max Ha Theorie (ka/m) (c) Praxis max (%) max (T) () (T) () (ka/m) (%) Nd 2 Fe 14 B

9 Theorie Br und jhc in Abhängigkeit des Dy-Gehaltes

10 Herausforderungen Die Mechanismen der Koerzitivkraft sind nicht vollumfänglich erklärt oder genutzt, deshalb ist das Potential der maximalen Koerzitivkraft nicht ausgeschöpft. Im Herstellprozess kann die ideale Grenzphase nicht stabil reproduziert werden, weshalb die aktuellen Koerzitivkräfte weit unter den theoretischen Werten zu finden sind.

11 Ansätze Chemische Zusammensetzung Erhöhter Anteil an Nd und/oder Pr Substitution durch preisgünstigere Seltenerden Herstellprozess Feinere Kristallstruktur im Sintermagneten Gezielter Einsatz von Dy an den Korngrenzen Der alternative Prozess: Heisspressen Konstruktion Den Magneten dicker machen (grössere magnetische Länge) Verbesserte Kühlung der Konstruktion

12 Chemische Zusammensetzung 1. Erhöhter Anteil an Nd und/oder Pr Vorteile Erhöht die Koerzitivkraft jhc leicht Reduziert die Häufigkeit von Schwachstellen an den Korngrenzen Nachteile Erhöhte Kosten für leichte Seltenerde Wirkt sich sehr negativ auf die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe aus Ist schwer zu beschichten Kein Lösungsansatz!

13 Chemische Zusammensetzung 2. Substitution durch preisgünstigere Seltenerden Holmium (Ho) ersetzt Dy Gadolinium (Gd) ersetzt Dy Terbium (Tb) ersetzt Dy (gut aber teuer) Herstellprozess ändert sich kaum Dy wird durch andere schwere Seltenerden ersetzt, welche genauso oder gar noch seltener sind als Dy Künftige Preisgestaltung der anderen schweren Seltenerden nicht vorhersehbar

14 Herstellprozess 1. Feinere Kristallstruktur im Sintermagneten Kleinere Partikelgrösse im Magnet von Intermetallic erfunden Legierung wird mit feineren Plättchen gegossen, sehr fein gemahlen und ohne grosses Kornwachstum gesintert Prozess erhöht die sauerstoffempfindliche Oberfläche der Magnetpartikel und bedarf eines Prozesses mit Ausschluss von Sauerstoff bis nach dem Sintern Spezielle Ausrüstung und sehr gute Prozesskontrolle notwendig, wurde aber schon vereinzelt demonstriert

15 Erhöhung der Koerzitivkraft durch Reduktion der Partikelgrösse Nur Firmen mit ausgezeichneten Prozessen und mit guter Ausrüstung können diesen Effekt reproduzierbar nutzen

16 Herstellprozess 2. Gezielter Einsatz von Dy an den Korngrenzen Beim Einsatz der schweren Seltenerden im Schmelzprozess werden diese in die gesamte Struktur eingebracht, auch dort, wo sie nicht notwendig sind In Matrix 2:14:1 ist Dy unerwünscht, Dy hilft allein in der Grenzphase Durch spezielle Verfahren diffundiert Dy in die Grenzphase

17 Grenzphasen Anreicherung von Dy Diffusion von Dy in einen Sintermagneten t langwieriger Prozess (viele Stunden) Eindringtiefe rundum nur wenige mm Teure Ausrüstung Braucht immer noch Dy, nur weniger Angewendet von Shin Etsu und ULVAC, Japan

18 Herstellprozess 3. Der alternative Prozess: Heisspressen

19 Magnetstruktur Ausrichtung erfolgt durch gezielte Umformung Feinkörnige und plättchenartige Matrixstruktur Vorteile Weniger Prozessschritte als Sinterprozess Auf Endmass, (geringe Materialverluste) Korrosionsbeständiges Endprodukt Geringerer Bedarf an schweren Seltenerden Nachteile Hohe Werkzeugkosten Wenig Produzenten Teures Legierungspulver (MQI)

20 Konstruktion Magnetdicke erhöhen verschiebt den Arbeitspunkt des Magneten und erlaubt insgesamt kleinere Anforderung an Koerzitivkraft Anordnung, bei welcher niedrigere Temperaturen am Magnet entstehen oder das System besser gekühlt wird Somit erniedrigt sich die Anforderung an die Koerzitivkraft des Magneten. Einsatz von SmCo Werkstoffen Samarium gegenwärtig preisgünstig, extrem korrosionsstabiler Werkstoff, kann bis zu 500 C Grad eingesetzt werden.

21 Schlusswort Bomatec Ein-Tages-Workshops 2014 im Hauptsitz in Höri: Optimale einsatzspezifische Materialwahl bei Antriebsanwendungen Dauermagneten im Februar 2014 Feldberechnungen (z.b. mit Femag) Optimale einsatzspezifische Materialwahl bei Magneten für die Sensortechnik im März (mit AMS organisiert) Feldberechnungen (z.b. mit Permag) Bei Interesse bei Bomatec-Stand oder melden

22 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!