Neue Seltenerdmagnete aus Altstoffen
Seltenerd-metalle werden bei der Herstellung von Magneten verwendet, die in modernen Anwendungen wie Smartphones, Kopfhörern, Elektrofahrzeugen und mikromechanischen Geräten von zentraler Bedeutung sind. Doch Europa ist stark von externen Seltenerdmetall-Quellen abhängig, da 80 % der hergestellten Seltenerdmetalle aus China stammen. Jüngsten Berichten zufolge besteht im Hinblick auf Seltenerdmagnetmaterialien für europäische Herstellungsunternehmen das höchste Versorgungsrisiko. Die Wiederverwertung von Elektronikschrott, der Magnete beinhaltet, könnte die Lösung sein. Im Rahmen des Horizont-2020-Projekts REProMag wurde ein innovatives, rohstoffschonendes Verfahren für die Formgebung, das Entbindern und das Sintern (shaping, debinding and sintering, SDS) von Seltenerdmagneten entwickelt und validiert, um magnetische Teile mit komplexen Strukturen und Geometrien auf ökonomische Weise herzustellen. Wiederverwertete magnetische Altstoffe Seit mehr als zwei Jahrzehnten sind Neodym (Nd)-, Eisen (Fe)-, und Bor (B)-basierte Magnete ein entscheidender Bestandteil in einer Reihe von Elektrogeräten. „Bei dem SDS-Ansatz wird die Methode der Hydrierung von Magnetabfällen (hydrogen processing of magnetic scrap, HPMS) aus bestehenden Abfallströmen angewendet, um die Magnete in ein brüchiges, entmagnetisiertes, hydriertes Pulver zu zerlegen. Dieses Material wird mechanisch von den verbleibenden Bestandteilen getrennt, um eine zu 100 % abfallfreie Herstellung von Seltenerdmagneten sicherzustellen“, sagt Projektkoordinator Dr. Carlo Burkhardt. Die Herstellung von Seltenerdmagneten unter Verwendung des SDS-Verfahrens überwindet Probleme, die mit gesinterten und gebundenen Magneten in Zusammenhang stehen. Beim Sintern bildet sich aufgrund von Hitze oder Druck eine feste Stoffmasse, während gebundene Magnete durch die Vermischung feiner Magnetpartikel oder feinen Pulvers mit Klebstoff oder einem sonstigen Bindemittel hergestellt werden und zu einem festen Magneten geformt werden. Zur Formung des magnetischen Materials wird das HPMS-Pulver in heißem Zustand mit einem organischen, aus mehreren Komponenten bestehenden Bindemittel vermischt, um eine Mischung herzustellen, in der jeder Metallpartikel gleichmäßig mit dem Bindemittel überzogen ist. Nach dem Abkühlen der Mischung wird diese in Granulate granuliert, um einen Ausgangsstoff zu schaffen, der unter Verwendung von 3D-Druck oder durch Metallformspritzgießen (metal injection moulding, MIM) verarbeitet werden kann. „Dies ermöglicht die abfallfreie Herstellung von komplexen Formen mit hohen Toleranzen, wodurch ein aufwändiges nachgelagertes Sinterverfahren vermieden wird“, erklärt Dr. Burkhardt. Wiederverwendet, umgeformt und neu beschichtet Die Projektpartner bauten drei MIM-Prüfwerkzeuge mit integrierten Magneten, um die Partikel so auszurichten, dass anisotrope Magnete oder sogar mehrpolige Anordnungen entstehen, die keine weitere maschinelle Bearbeitung erforderlich machen. Dr. Burkhardt meint: „Die anfängliche Arbeit, die am 3D-Drucken eines auf Strontium basierenden Magnetpulvers durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Ausrichtung von Teilen, die auf einen großen Dauermagneten gedruckt waren, der das Ausrichtungsfeld induzierte.“ Das Polymerbindemittel, das für den Formgebungsschritt erforderlich ist, wird letztlich mithilfe eines Lösungsmittels bei leicht erhöhter Temperatur über mehrere Stunden entfernt, sodass eine dichte metallische Struktur zurückbleibt. Eine sehr geringe Menge von Backbone-Bindemittel, die in dem Lösungsmittel unlöslich ist, hält die Form der Partikel immer noch aufrecht und muss in einem zweiten Entbinderungsschritt durch Erhitzung auf Sintertemperatur entfernt werden. Abgesehen von einer innovativen Beschichtungsmethode zur Vermeidung von Korrosion wird keine andere Nachbearbeitungsphase angewandt. Im Zuge von REProMag wurde die Verwendung von zu 100 % wiederverwerteten Rohstoffen für die nachhaltige Herstellung von Seltenerdmagneten unter Verwendung von SDS-Verfahren erfolgreich validiert. „Dies wird dazu beitragen, die Unabhängigkeit der europäischen Industrien von kritischen Rohstoffen sicherzustellen, die in Asien hergestellt werden und weiter gefasst der Gesellschaft zugutekommen, da der Verbrauch von Energie und gefährlicher Chemikalien während der Verarbeitung von Seltenerderzen reduziert wird“, lautet die Schlussfolgerung von Dr. Burkhardt.
Schlüsselbegriffe
REProMag, Magnet, Seltenerd (rare-earth, RE)-magnet, Sinterung, Formgebung, Entbindern
