LOEWE-Schwerpunkt RESPONSE | Teilprojekt: Neue Syntheseverfahren top-down

LOEWE-Schwerpunkt RESPONSE (Ressourcenschonende Permanentmagnete durch optimierte Nutzung seltener Erden) Teilprojekt: Neue Syntheseverfahren top-down

 

Motivation

Moderne Hochleistungspermanentmagnete stellen heutzutage eine Schlüsselkomponente für die sich im stetigen Wachstum befindliche Elektromobilität bei Hybrid- oder Elektroantrieben sowie für alternative Energiegewinnungsmethoden wie Windkraftgeneratoren dar. Für das Erreichen einer besonders hohen Energiedichte werden in diesen Bereichen Magnete mit einem großen Anteil an seltenen Erden eingesetzt, die einzigartige elektronische, magnetische und optische Eigenschaften aufweisen. Im Vergleich zu seltenerd-basierten Materialien weisen klassische Magnetmaterialien bislang nur ein fünftel der Energiedichte auf.

Die Gewinnung von seltenen Erden ist jedoch aufgrund der geologischen Vorkommen und der chemischen Ähnlichkeit nur sehr energieintensiv und unter hoher Belastung der Umwelt möglich. Gleichzeitig sind seltene Erden großen Marktabhängigkeiten unterworfen.

Die stetig voranschreitende Entwicklung alternativer Energiegewinnungsmethoden und neuartiger Antriebskonzepte lässt erwarten, dass der Einsatz von Hochleistungspermanentmagneten und damit der Gebrauch von seltenen Erden weiter steigen wird.

[1] ECAS Prozess zur Kornfeinung (links), Vorschubrundkneten zur Textinduzierung (rechts)
[1] ECAS Prozess zur Kornfeinung (links), Vorschubrundkneten zur Textinduzierung (rechts)

Zielsetzung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen ist es das Ziel, die bisher stärksten Seltenerdmagneten in ihrem Seltenerdanteil deutlich zu reduzieren bzw. zu substituieren, ohne nennenswerte Leistungsverluste in Kauf zu nehmen. Der Einsatz dieser Magnete fokussiert sich weiterhin auf den Hochleistungsanwendungsbereich in Elektromotoren oder Generatoren für Windturbinen. Zum anderen sollen neue seltenerdfreie Magnete der nächsten Generation mit einer deutlich höheren Energiedichte als klassische Magnetmaterialien entwickelt werden. Die Verwendung dieser Magnete ist für den mittleren bis hohen Temperaturbereich in kleinen Elektromotoren vorgesehen.

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Abbildung 2: Dauermagnet-Generator | Quelle: www.directindustry.com
Abbildung 3: Elektrofahrzeug | Quelle: www.atzlive.de
Abbildung 3: Elektrofahrzeug | Quelle: www.atzlive.de

Lösungsweg

In Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Projektgruppe und der Technischen Universität Darmstadt mit den Fachrichtungen Materialwissenschaft, Chemie, Physik und Maschinenbau werden Methoden entwickelt, mit denen die beschriebenen Projektziele erreicht werden können. Der Fokus des Teilprojekts „Neue Syntheseverfahren“ liegt dabei auf der Entwicklung einer Prozesskette, die über Kornfeinung und Erzeugung von Umformtexturen die Voraussetzungen schafft, hochtexturierte magnetisch anisotrope Proben in einem wirtschaftlichen, kontinuierlichen Prozess herzustellen. Zur Kornfeinung und zur Induzierung hoher Defektdichten in weich- und hartmagnetischen Werkstoffen soll dabei der kontinuierliche ECAS-Prozess (Equal Channel Angular Swaging) zum Einsatz kommen, um einen nanokristallinen isotropen Vorkörper mit hoher Koerzitivfeldstärke zu erzeugen. Anschließend wird durch eine nachgelagerte Rundknetoperation und/oder durch eine magnetfeldunterstützte Wärmebehandlung eine Textur im Material realisiert.

 

Wesentliche Erkenntnisse

Im Rahmen des RESPONSE Projekts konnten Veränderungen der Mikrostruktur durch Umformprozesse nachgewiesen und deren Korrelation ermittelt werden.

Bei dem weichmagnetischen Werkstoff Fe83Co17 sind die Umformtexturen durch Rundkneten in Form von gestreckten Körnern zu beobachten. Diese sind für eine erhöhte Formanisotropie verantwortlich. Auf der anderen Seite konnte die Korngröße von Fe83Co17 wegen großer Scherspannung, welche durch den ECAS Prozess erzeugt wird, reduziert werden. Dafür wird ein ECAS Werkzeug auf der Schnellläuferpresse mit einem kontinuierlichen Vorschub konstruiert und gefertigt. Die magnetischen Eigenschaften der Fe83Co17 Proben nehmen aufgrund dieser beiden Änderungen der Mikrostruktur zu.

Weitere wichtige Erkenntnisse werden aus dem seltenerdhaltigen hartmagnetischen Werkstoff Nd-Fe-B gewonnen. Dieser Werkstoff ist im gegossenen Zustand weichmagnetisch. Nach dem Rundkneten der gekapselten Proben bei einer erhöhten Temperatur wird eine deutliche Erhöhung der hartmagnetischen Eigenschaften beobachtet. Die magnetische Härtung ist auf die Kornfeinung im Werkstoff zurückzuführen. Die spröden Körner der 2-14-1 Stichphase brechen unter mechanischer Spannung auf und gleichzeitig fließt die Korngrenzenphase, welche bei Prozesstemperatur flüssig ist, in die entstandenen Risse ein, so dass die Kornfeinung stattfinden kann, gleichzeitig wird die Rissbildung in der gesamten Probe vermieden.

 

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkt RESPONSE (Ressourcenschonende Permanentmagnete durch optimierte Nutzung seltener Erden) bearbeitet. Der LOEWE-Schwerpunkt RESPONSE wird von der Regierung des deutschen Bundeslandes Hessen finanziert.