Fraunhofer-Leitprojekt Kritikalität Seltener Erden
Die Herstellung moderner Hochleistungsmagnete erfolgte bisher pulvertechnisch durch Sintern und anschließendes Nachschleifen. Dabei ergaben sich bezüglich der Materialeffizienz der 13 eingesetzten Pulver einige Nachteile, die im Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden« unter den Stichworten Net-Shape-Prozessierung, Dysprosium-Layer-Technologien und Grainsize-Tuning-Technologien verbessert werden sollten.
Netshape-Produktion
Mithilfe eines Aufbaus von Prozessketten der Net-Shape-Produktion wurden endabmessungsnahe Magnete hergestellt, um insbesondere die bisherige Nachbearbeitung einzusparen. Es konnte eine Reduktion von Dysprosium-Reduktion um 15 % erreicht werden, was einen insgesamt effizienteren und kürzeren Produktionsprozess bedeutet. Dabei wurden zwei technologische Routen der Net-Shape-Produktion verfolgt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betrachteten einerseits den Metallpulverspritzguss und anderseits die 3D-Umformtechnik, die für die Herstellung von modernen Hochleistungsmagneten entwickelt worden sind. Durch die erfolgreiche Realisierung und eine endformnahe Net-Shape-Produktion können ab sofort Material und Kosten signifikant verringert werden.
Dysprosium-Layer-Technologie
Nd-Fe-B Magneten wird zur besseren Temperaturstabilität Dysprosium beigemischt. Idealerweise benetzt dies die Körner und reichert sich an den Korngrenzen an. Um den Gehalt des teuren Dysprosiums in Nd-Fe-B Permanentmagneten zu minimieren, wurden Methoden untersucht, mit denen das Dysprosium bei einer Verringerung um 20 % gezielt an den Korngrenzen angereichert werden konnte. Dazu wurde zum einen ein optimiertes Glühverfahren entwickelt, um über Diffusion entlang der Korngrenzen dieses Ziel zu erreichen, zum anderen wurden geeignete Prozesshilfsmittel/Binder untersucht, über die das Dysprosium in die Struktur eingebracht wird.
Grain Size Tuning Technology
Ein Forschungsansatz zum Minimieren des Dysprosium Anteils in Nd-Fe-B Magneten war es, eine optimierte Mikrostruktur zu schaffen. Dazu entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaflter ein nanoskaliges Materialgefüge, das 50 % weniger Dysprosium enthält. Dafür kamen unterschiedliche Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren wie Rascherstarrung, Heißpressen, Gradierungspressen und Spark-Plasma-Sintering zum Einsatz. In der Anwendung von spezifischen Prozessverfahren konnte ein Hochdurchsatzscreening der Mikro- und Nanostruktur des Werkstoffgefüges erfolgreich abgeschlossen werden.