TEM Untersuchung von Dysprosium-freien Selten Erd Dauermagnetwerkstoffen

Abstract

Hartmagnetische Legierungen basierend auf Nd-Fe-B spielen bei neuen Magnetanwendungen, wie die Motoren in Elektrofahrzeugen und Generatoren in Windkraftanlagen, eine bedeutende Rolle. Zurzeit ist es üblich eine Steigerung der Koerzitivfeldstärke durch einen Zusatz von Dysprosium, welches eine schwere Selten Erde ist, zu erreichen. Neben der hohen magnetokristallinen Anisotropie und Sättigungspolarisation beeinflussen auch die Zusammensetzung und Struktur der intergranularen Phasen die Koerzitivfeldstärke dieser speziellen Materialklasse. Diese komplexen Zusammenhänge und der Einfluss von Dysprosium auf die Koerzitivfeldstärke sind noch nicht zur Gänze verstanden. Die aktuelle Rohstoffkrise, die den Sektor der schweren Seltenen Erden besonders betrifft, wirft die Frage auf, ob es auch möglich ist, Dysprosium-freie Selten Erd Dauermagnetwerkstoffe, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen, herzustellen. Das Ziel der Diplomarbeit ist es, durch die Charakterisierung der Mikrostruktur von verschiedenen Dysprosium-freien Nd-Fe-B Dauermagnetwerkstoffen in Abhängigkeit deren Zusammensetzung und Sintertemperatur, diese Frage zu beantworten. Diese Untersuchung wird mit Hilfe von Hochauflösungselektronenmikrospie und nanoanalytischen TEM/STEM Methoden auf einem konventionellem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) / Scanning-TEM (STEM) FEI TECNAI G20 und einem analytischen feldemissions TEM/STEM FEI TECHNAI F20, welches zusätzliche mit einem 'High Angle Annular Dark-Field' (HAADF) Detektor und einem energiedispersiven Röntgenspektrometer (EDX) ausgestattet ist. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass es mit einem gewissen Selten Erd Gehalt von Neodym und Praseodym, einer Partikelgröße des Ausgangspulvers von unter 2 µm, Anwendung des 'Rubber Isostatic Pressing' (RIP) Verfahren, optimierter Sintertemperatur, welche zu einer maximalen Dichte führt, und entsprechendem Tempern nach dem Sintervorgang möglich ist, Dysprosium-freie Selten Erd Dauermagnetwerkstoffe mit einer hohen Koerzitivfeldstärke herzustellen. Bei der Charakterisierung der Mikrostruktur konnten die Selten Erd reichen intergranularen Phasen als c-Nd2O3 Zwickel, die die Kristallstruktur des Prototyps Mn2O3 aufweisen, identifiziert werden. Die Korngrenzphasen, deren Breite mit wachsendem Selten Erd Gehalt der Proben von einigen nm bis auf einige duzend nm steigen, wurden ebenfalls als Selten Erd reich identifiziert. Die Orientierung der magnetischen Vorzugsrichtung der einzelnen hartmagnetischen Nd2Fe14B Körner, die einen starken Einfluss auf die Sättigungspolarisation des Magnetmaterials hat, wurde anhand von Beugungsbilder gemessen und ist konsistent mit den magnetischen Messungen der Proben.

Hard magnets based on Nd-Fe-B play an important role in novel hard magnetic applications, such as the engine used in electric vehicles and generators in wind turbines. Currently an increase of coercivity is achieved by the heavy rare earth Dysprosium additive in these magnets. Besides the magnetocristalline anisotropy and saturation polarisation also the nature of the intergranular grain boundary regions determine the coercive field of this class of materials. These complex relationships and the influence of dysprosium on the coercivity are not yet fully understood. The current resource crisis, which concerns particularly the sector of the heavy rare earth, raises the question whether it is possible to manufacture a Dysprosium-free hard magnetic material with a high coercivity. The aim of this diploma thesis is to characterize the microstructure of various Dysprosium-free Nd-Fe-B magnets depending on the composition and sintering temperature and therefore answer this question. This study is conducted using high-resolution electron microscopy and nanoanalytical TEM / STEM methods on a conventional transmission electron microscope (TEM) / Scanning TEM (STEM) FEI TECNAI G20 and an analytical field emission TEM / STEM FEI TECHNAI F20, which is additionally equipped with a "High Angle Annular Dark-Field"(HAADF) detector and an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX). The investigations have shown that with a sufficient earth content of neodymium and praseodymium, a particle size of the starting powder of less than 2 microns, an application of "Rubber Isostatic Pressing" (RIP) process, an optimized sintering temperature, which leads to a maximum density, and an appropriate annealing after the sintering process it is possible to manufacture dysprosium-free rare earth permanent magnets with high coercivity. The intergranular grain boundary regions could be identified as c-Nd2O3 phases, having a crystal structure of the Mn2O3 prototype. The grain boundaries were found to be rare earth rich phases. Their thickness starting from a few nm can rise with growing rare earth content of different samples up to several dozen nm. The orientation of the easy axis of magnetization from the hard magnetic Nd2Fe14B grains, which has a strong influence on the saturation magnetization of the magnetic material, was measured based on their diffraction images, and is consistent with the magnetic measurements of the samples.