Die Rolle von Seltenerdmagneten beim grünen Übergang

JL MAG ist der weltweit größte und erste CO2-neutrale Hersteller von gesinterten Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) mit Hauptsitz in Ganzhou, China. Der Start volumenintensiver Projekte zur Elektrifizierung von Automobilen hat die Nachfrage nach NdFeB-Magneten erhöht, was zu einer nahezu Verdoppelung des Jahresumsatzes bei JL MAG geführt hat. Aus diesem Grund wurden weitere Produktionswerke in Baotou und Ningbo in China gebaut, 2024 folgt ein Werk in Monterrey, Mexiko.

Als führender Magnetlieferant geht JL MAG auf die Marktanforderungen ein und bietet technische Lösungen für die Herstellung von Produkten, die Reduzierung kritischer Materialien und die Kostensenkung für Kunden. Die neueste Entwicklung von JL MAG ist die lokale Steuerung der Koerzitivfeldstärke in gesinterten NdFeB-Magneten, die voraussichtlich einen entscheidenden Beitrag zur Verringerung der Abhängigkeit von schweren Seltenerdelementen leisten wird.

Die Entwicklung gesinterter NdFeB-Magnete lieferte die stärksten Magnetmaterialien mit dem höchsten Magnetfeld bei Raumtemperatur (Remanenz) und Entmagnetisierungswiderstand (Koerzitivfeldstärke). Die damit verbundene Erfolgsgeschichte umfasst zahlreiche Anwendungen mit höheren Wirkungsgraden aufgrund höherer Leistungsdichte und sogar Anwendungen, die nur durch den Einsatz von NdFeB ermöglicht werden konnten. Die nachfragestärksten Anwendungen sind Windturbinengeneratoren und Traktionsmaschinen für die Automobilindustrie. Traktionsmaschinen enthalten ein bis drei Kilogramm gesintertes NdFeB, und Windkraftanlagen enthalten mehr als 1.000 Kilogramm dieses Materials.

Gesinterte NdFeB-Magnete erhalten ihre Koerzitivfeldstärke und die daraus resultierende Temperaturstabilität durch die Verwendung schwerer Seltenerdelemente wie Dysprosium, Terbium und Holmium. Die steigende Nachfrage nach hochtemperaturstabilen Magneten, vorangetrieben durch die Elektrifizierung von Automobilen, hat zu Preissteigerungen für diese Elemente geführt. Die gesamte Magnetindustrie ist auf der Suche nach Verfahren, um diese Elemente zu reduzieren und gleichzeitig die Temperaturstabilität aufrechtzuerhalten oder sogar zu verbessern. Die ersten gesinterten NdFeB-Magnete unter Verwendung schwerer seltener Erden wurden nach dem heute als traditionelle Methode bezeichneten Verfahren hergestellt: 600–1.200 kg schweres seltenerdhaltiges Material wurden geschmolzen, pulverisiert, gepresst, ausgerichtet und gesintert. Anschließend wurde das hergestellte Magnetmaterial auf die endgültigen Abmessungen zugeschnitten.

Der starke Preisanstieg im Jahr 2011, der durch den Rückgang der chinesischen Exporte seltener Erden verursacht wurde, zwang die Magnetindustrie, sich auf die Reduzierung des starken Verbrauchs seltener Erden zu konzentrieren. Nach diesen Reduktionsentwicklungen verwenden viele Anwendungen immer noch NdFeB, benötigen aber die schweren Seltenerdelemente nicht mehr. Die Koerzitivfeldstärke wurde beispielsweise durch Korngrößenreduzierung nach der Pulverisierung oder durch metallurgische Zusätze erhöht. Dennoch führen die hohen Betriebstemperaturen von Traktionsmaschinen, die im Bereich von 140–200 °C liegen können, dazu, dass NdFeB-Magnete immer noch schwere Seltenerdelemente benötigen.

Die Produktion von Windturbinengeneratoren hat sich auf schwere, seltenerdfreie Materiallösungen konzentriert. Um dies zu erreichen, wurde die Leistungsdichte jedoch nicht maximiert, was zu geringeren Wirkungsgraden führte.

Ein Quantenschritt vorwärts in der Entwicklung von gesintertem NdFeB war die Reduzierung schwerer Seltener Erden, indem ein großer Teil dieser Elemente aus dem Grundmaterial ferngehalten und stattdessen durch Diffusion in den Magneten eingebracht wurde, nachdem das Magnetmaterial in seine endgültigen Abmessungen geschnitten wurde. Mit diesem sogenannten Korngrenzendiffusionsverfahren (GBD) konnte der starke Verbrauch seltener Erden deutlich reduziert werden. Aufgrund der Einschränkungen des Diffusionsprozesses, der stoppt, wenn ein Materialgradient zu klein wird, sind die Abmessungen der endgültigen Magnete auf etwa 6 mm in der kleinsten Dimension begrenzt.

Bei näherer Betrachtung der 6-mm-Grenze stellt man fest, dass das Magnetmaterial nicht homogen ist und es keine klare Grenze für die Koerzitivkrafterhöhung durch den Diffusionsprozess gibt. Das Volumen in der Nähe der Oberfläche, von wo aus die Diffusion beginnt, enthält einen höheren Gehalt an seltenen Erden und weist auch eine höhere Koerzitivfeldstärke auf als Volumina, die weiter von der Startoberfläche der Diffusion entfernt liegen. Dieser physikalische Sachverhalt wird durch die Anforderung, die in den Spezifikationen der Kunden angegeben ist, außer Acht gelassen. Beim herkömmlichen Verfahren waren die Materialeigenschaften homogen und das daraus resultierende Qualitätssicherungsverfahren des Kunden folgte der IEC-Norm 60404-5. Diese Norm beschreibt, wie ein homogenes Teil in einem geschlossenen Magnetkreis gemessen wird. Leider kann diese Art der Messung nicht zwischen Zonen mit unterschiedlichem Entmagnetisierungswiderstand unterscheiden.

Um auf die Tatsache zurückzukommen, dass Diffusionsmagnete immer inhomogen sind, stellt sich die Frage, wie man dies in einen Vorteil umwandeln kann. Der Magnetkreis benötigt kein homogenes Material. Für Anwendungen ist ein Magnet erforderlich, der an jeder Position innerhalb des Magneten eine ausreichend hohe lokale Koerzitivfeldstärke aufweist. Eine zu hohe Koerzitivkraft kann ein Nachteil sein und zu einer lokal verringerten Remanenz führen. Darüber hinaus gibt es keinen physikalischen Grund, warum im Inneren eines Magneten hohe Feldkonzentrationen auftreten sollten. Die Felddichte in elektrischen Maschinen weist immer „Hot Spots“ an der Magnetoberfläche auf. Da der Diffusionsprozess an der Oberfläche beginnt und einen Gradienten zum Zentrum des Magneten erzeugt, ist der Diffusionsprozess die beste Lösung für lokal angelegte Koerzitivfeldstärke.

Die jüngste Entwicklung zur Reduzierung schwerer Seltener Erden in einem gesinterten NdFeB-Magneten ist die lokale Diffusion entsprechend den lokalen Anforderungen an die Koerzitivfeldstärke. JL MAG bezeichnet dies als dreidimensionale Korngrenzendiffusion (3D-GBD). Große Reduzierungen beim Einsatz schwerer Seltener Erden führen zu erheblichen Preissenkungen, wie dies bei mehreren Traktionsmaschinenprojekten beobachtet wurde.

Schließlich hängt das mögliche Ergebnis immer noch von der Spezifikation ab. Eine anfängliche Herausforderung besteht darin, den Magneten so zu spezifizieren, dass er aus mehreren Zonen mit spezifischen Anforderungen an die homogene Koerzitivfeldstärke besteht. Dies ist ein Kompromiss, der die Anwendung der Norm IEC 60404-5 für abgeschnittene Proben ermöglicht.

Das größte Potenzial ergibt sich durch ein reales, dreidimensionales Profil der schweren Seltenen Erden und der Koerzitivfeldstärke für die jeweiligen Zonen. Noch zögern Magnetanwender in diese Richtung, da dadurch eine Qualitätssicherung nach der Norm IEC60404-5 auf Teileebene nicht mehr möglich ist.

Die abschließende Freigabeprüfung eines Magneten wird auf die Freigabe auf Maschinenebene, an einem Prüfstand, verlagert. Parallel dazu müssen alle Produktionsprozesse von einem Magnetlieferanten festgelegt werden – analog zu bestehenden Automobilstandards.

Laminierungsbleche oder gehärtete Oberflächen von Wellen sind gute Beispiele, die zeigen, dass nicht alle Teile einer elektrischen Maschine auf Teileebene gemessen werden können, sondern tatsächlich einer Prüfung auf Maschinenebene bedürfen.

Der Ansatz der lokalen Diffusion erfordert keinen zusätzlichen Aufwand in der Magnetkreistechnik. Die Gegenfeldverteilung wird ohnehin berechnet und kann im Rahmen der Spezifikation an den Magnetlieferanten weitergegeben werden. Darüber hinaus muss das Szenario zum Einsetzen der Magnete in die Maschine besprochen werden. Bei nicht orientierter Einfügung, bei der sich die Seite mit der höheren Koerzitivfeldstärke nicht unbedingt an der erforderlichen Position befindet, müssen die Hotspots symmetrisch gespiegelt werden, um eine zufällig orientierte Einfügungslösung zu ermöglichen. Andernfalls müssen Markierungen angebracht werden.

Um schließlich einen lokal diffusen 3D-GBD-Magneten zu ermöglichen, muss für jedes Projekt ein individuelles Gespräch mit Qualitätssicherungs- und Produktionsteams stattfinden, um den Grad der Bereitschaft zur Akzeptanz von Inhomogenitäten zu definieren. Die Vielfalt der Möglichkeiten mit 3D-GBD ist immens und sollte insbesondere für Projekte mit großem Volumenbedarf wie EV-Projekte für die Automobilindustrie evaluiert werden.

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Dr. Alexander FurgeriExperte für Magnete und magnetische SystemeJL MAG Rare-Earth Co Europe BVhttps://www.jlmag.eu/https://www.linkedin.com/in/alexander-dr-furgeri-a75583100/?originalSubdomain=deBitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der zwölften Ausgabe unseres erscheinen wird