Increasing the sustainability of Nd-Fe-B permanent magnets used in wind power and electromobility through hydrogen-based functional recycling

Das auf der Wasserstoffversprödung basierende sogenannte short-loop oder funktionale Recycling wurde im Technikumslevel (bis zu 50 kg, je nach Prozessschritt) zunächst zum Recycling von traditionell hergestellten Sintermagneten aus Magnetresonanztomographen (MRT) und ressourcen-optimierten Korngrenzdiffusionsmagneten (engl. grain boundary diffusion, GBD) verwendet. Änderungen unterschiedlicher Materialeigenschaften wie die chemische Zusammensetzung, der Verunreinigungsgehalt, Partikelgröße, magnetische Eigenschaften, Mikrostruktur und der Orientierungsgrad wurden im Detail untersucht. Mehrfaches Recycling der MRT Magnete resultiert in einer Abnahme der Textur, der Orientierung und den resultierenden magnetischen Eigenschaften der recycelten Magnete. Gleichzeitig steigt der Verunreinigungsgehalt und die Partikelgröße des Materials durch mehrere Mahl- und Sinterprozesse an. Durch die Zugabe von 4 Gew.-% Nd-hydrid zum rezyklierten Material, kann die Dichte der Recyclingmagnete vollständig wiederhergestellt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass die magnetischen Eigenschaften recycelter Magnete die Spezifikationen von Primärmagneten auch nach mehreren Recyclingzyklen erfüllen.
Das funktionale Recycling von GBD-Magneten zeigt eine ähnliche Verringerung der Remanenz (∆Br = 5 %) verglichen mit dem Recycling von traditionell hergestellten MRT Magneten (∆Br = -7 %). Im Fall der Koerzitivfeldstärke ist eine größere Abnahme (∆HcJ = -21 %) verglichen mit dem Recycling der MRT Magnete (∆HcJ = +6 %) zu beobachten. Die Auflösung der speziellen GBD Kern-Schale Mikrostruktur durch die verschiedenen Wärmebehandlungsschritte, welche Wasserstoffversprödung, Sintern und Glühen beinhaltet, ist hauptsächlich verantwortlich für die große Abnahme der Koerzitivfeldstärke. Die Recyclingmagnete zeigen ähnlich rechtwinklige Entmagnetisierungskurven mit einer Rechtwinkligkeit von 96 %, eine Remanenz von 1,31 T und eine Koerzitivfeldstärke von 1703 kA/m. Ein neuer Korngrenzendiffusionsprozess unter Verwendung von 1,5 Gew.-% Tb mit einer Tb-Folie als Diffusionsquelle, führt erneut zur Bildung einer Kern-Schale Struktur mit 0,5 µm dicken Tb-Schalen in einem Abstand von 200 - 400 µm von der Oberfläche, welche ähnlich zur Mikrostruktur des ursprünglichen Magneten vor dem Recycling ist. Die Koerzitivfeldstärke der recycelten Magnete wird dadurch um 35 % erhöht und zeigt bei 150 °C und 200 °C ähnliche magnetische Werte wie der original Magnet. Die Temperaturkoeffizienten der Remanenz, α, und Koerzitivfeldstärke, β, werden vollständig wieder-hergestellt und übertreffen sogar die original Werte, was zu einer verbesserten Temperaturbeständigkeit der Recyclingmagnete im Vergleich zu den Primärmagneten führt.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Partikelgrößenverteilung eines rezyklierten Pulvers modifiziert, um die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften durch das Recycling zu reduzieren. Für diesen Zweck wurden 15 kg End-of-Life (EoL)-Magnete aus Windturbinen unter Wasserstoff versprödet und nach dem Mahlen mittels Gegenstrahlmühle einem inline-Sichten unterzogen, um Partikel kleiner als 1 µm zu entfernen, was die Oxidationsneigung während des Recyclingprozesses reduzieren sollte. Die Partikelgrößenverteilung, spezifische Oberfläche, kristalline Phasenzusammensetzung, thermische Phasenänderungen, chemische Zusammensetzung, Verunreinigungsgehalt, Mikrostruktur, und magnetische Eigenschaften, wurden ausführlich analysiert. Das Nachsichten führt zu einer engeren Partikelgrößenverteilung und einem verbesserten D90/D10 Verhältnis von 3,00 im Vergleich zu 4,20 vor dem Sichten, und einer Erhöhung im D50-Wert von 5,78 µm auf 6,20 µm. Durch Verwendung des gesichteten Pulvers, konnte der Sauerstoffgehalt des Recyclingmagneten erfolgreich von 0,33 Gew.-% auf 0,18 Gew. % reduziert werden. Im Fall von Stickstoff und Kohlenstoff werden sogar die Werte des EoL-Magneten erreicht oder unterschritten. Die Remanenz der gesichteten Recyclingmagnete übersteigt mit 1,29 T den Wert des EoL-Magneten (1,27 T) und hat eine Rechtwinkligkeit von 98 %. Beim Mahl- und Sichtungsprozess trat ein Verlust an Seltenen Erden (SE) auf, was zusammen mit der gröberen Mikrostruktur zu einer reduzierten Koerzitivfeldstärke und Temperaturbeständigkeit (z.B. -0,16 %/°C im Vergleich zu -0,14 %/°C) führt.
Schließlich sollte die praktische Anwendung recycelter Magnete in Elektromobilitäts-Anwendungen wie Pedelecs, e-Scooters und Hoverboards im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit und Wiederverwertbarkeit demonstriert werden. Unterschiedliche EoL-Magnetstoffströme dienen als Ausgangsmaterial für die Produktion recycelter Magnete, die die notwendigen Eigenschaften für die Verwendung in den genannten Anwendungen aufweisen. Nach der Produktion einer größeren Anzahl solcher Recyclingmagnete wurden diese in die Demonstratoren eingesetzt. Messungen an verschiedenen Testständen zeigen, dass die Demonstratoren mit recycelten oder wiederverwendeten Magneten über den gesamten Drehzahlbereich eine ähnliche oder höhere elektromotorische Kraft oder induzierte Spannung aufweisen, als ihre Gegenstücke mit Primärmagneten. Während der e-Scooter Motor unter Verwendung recycelter Magnete annähernd die gleiche induzierte Spannung erreicht (-0,7 %), zeigt der Hoverboard Motor sogar eine erhöhte Spannung um 6,7 %. Im Fall des Pedelec Motors führt die Wiederverwendung von EoL-Magneten zu einer Spannungserhöhung von 0,9 % verglichen mit der Verwendung von Primärmagneten. Gleichzeitig kann durch die Verwendung von recycelten oder wiederverwendeten Magneten eine größere Nachhaltigkeit dieser Geräte durch einen reduzierten CO2-Fußabdruck erreicht werden. Darüber hinaus können Recyclingmagnete durch einen reduzierten Energieverbrauch und reduzierte Rohstoffkosten die Produktionskosten von Produkten senken, welche Permanentmagnete nutzen