Einleitung
Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd-Fe-B) sind sogenannte Seltenerdmagnete, die sich durch sehr hohe Energiedichten auszeichnen. Damit gewinnen sie im Zeitalter der Elektromobilität und Miniaturisierung immer mehr an Bedeutung und sind interessant für Einsatzbereiche, in denen starke Magnetfelder bei kleinem Volumen und geringem Gewicht benötigt werden. Ressourcenschonung der Rohstoffe, Gewichtsreduktion der Antriebe und längere Lebensdauer der Dauermagnete stehen dabei immer mehr im Vordergrund. So werden mit Nd-Fe-B-Magneten z. B. Miniaturisierungen in der Sensortechnik möglich. Im Motorenbau führt der Einsatz dieser Magnete zu einer Reduzierung von Baugruppengrößen und damit von Volumen und Gewicht. So können beispielsweise durch Magnete mit höheren Energiedichten kleinere und/oder leistungsstärkere Elektromotoren mit höheren Wirkungsgraden hergestellt werden.
Weitere Verbesserungen der zurzeit hergestellten Magnete sind durch den Einsatz von feinkörnigeren Gefügen möglich, um damit ein gleichmäßiges Kornwachstum während des Sinterns zu erreichen. Während feinkörnigere Gefüge die Koerzitivfeldstärke erhöhen, tragen gröbere Gefüge aufgrund ihres besseren Orientierungsverhaltens zum Erreichen einer hohen Remanenz bei. Das bedeutet, dass die eingesetzten Seltenerdpulver eine möglichst enge Kornverteilung aufweisen müssen. Ideal ist eine enge Partikelgrößenverteilung mit einem möglichst geringen Anteil an feinsten (< 2 µm) und an groben Partikeln (> 8 µm). Auch die Sinterbedingungen sind entscheidend für die Qualität der Magnete und müssen sorgfältig optimiert werden. Ebenso müssen Verunreinigungen durch die Verwendung von sauberen Rohstoffen und besten inerten Bedingungen bei der Verarbeitung auf ein Minimum reduziert werden.
Die Lösung von NETZSCH
Spiralstrahlmühle m-Jet mit integriertem dynamischem Windsichter
NETZSCH hat speziell für die Vermahlung von seltenen Erdlegierungen eine neue Mühle entwickelt.
Die m-Jet (Abb. 1) verbindet dabei die Vorteile einer Fließbettgegenstrahlmühle mit denen einer Spiralstrahlmühle und ist somit die ideale Mühle für die Vermahlung von Seltenerdpulvern. Die Kombination aus Spiralstrahlmühle mit einem dynamischen Windsichter ermöglicht es, reproduzierbar höchste Feinheiten unabhängig von der Beladung der Gasstrahlen zu erzielen.
Das Mahlgas wird über die ringförmige Mahlgasverteilung und die Düsen (1) in den Mahlraum (2) geführt und entspannt, wobei sich Strahlen hoher Geschwindigkeit ausbilden. Das Mahlgut wird mittels eines Injektors oder gravimetrisch durch eine Schleuse über einen Stutzen (3) tangential in den Mahlraum (2) eingebracht, von den Gasstrahlen erfasst, beschleunigt und durch Teilchen-Teilchen-Stöße zerkleinert. Mit dem Mahlgas werden die beanspruchten Partikel zum Sichtrad (4) transportiert, welches über einen drehzahlregelbaren Motor angetrieben wird. Den eingestellten Bedingungen entsprechendes Feingut wird zusammen mit dem entspannten Gas aus der Mühle ausgetragen (5); zu grobes Mahlgut gelangt zurück in den Bereich der Strahlen, um erneut beansprucht zu werden. Dabei unterstützt die im Mahlraum sich ausbildende kreisförmige Gutbewegung die Beladung der Strahlen mit Partikeln.
Konstruktionsbedingt liegt der Produktinhalt während der Mahlung in einer m-Jet im Vergleich zu einer korrelierenden Fließbettgegenstrahlmühle gleicher Mahlgasmenge um den Faktor 20 - 25 niedriger. Aufgrund dieser Gegebenheit tritt beim An- und Abfahren der Anlage praktisch keine Änderung in der Durchsatzleistung und vor allem in der Kornverteilung auf. Eine selektive Mahlung einzelner Legierungsbestandteile findet nicht statt (Abb. 2).
Ein weiterer Vorteil der m-Jet im Vergleich zu einer Fließbettgegenstrahlmühle ist die Möglichkeit des automatischen Ausschleusens von schwermahlbaren Bestandteilen oder die Umstellung auf ein anderes Produkt. Unerwünschte Bestandteile können während des Betriebes der Mühle direkt aus der Mahlkammer ausgeschleust werden (Abb. 3). Hierzu werden nur einige Sekunden benötigt. Der Überdruck in der Mühle sorgt für den Transport der schwermahlbaren Bestandteile direkt ins Filter. Hierbei wird durch die Position des Austragsstutzens im Gehäuse der Mühle das Sichtrad im Bypass gefahren. Über die Einschaltdauer der Dosierung kann die Abnahme der Durchsatzleistung durch schwermahlbare Bestandteile ermittelt werden. Bei Erreichen eines bestimmten Wertes wird das Mahlgut ausgeschleust. Eine Kontamination der produktführenden Leitungen mit groben Produktpartikeln und/oder schwermahlbaren Bestandteilen ist somit ausgeschlossen. Bedingt durch das kleine Volumen der Mahlkammer sind Pulververluste bei Produktumstellungen äußerst gering.
Fortschritte in der Herstellung von Nd-Fe-B-Pulvern durch Sichten
Die im gemahlenen Seltenerdpulver enthaltenen unerwünschten Feinstanteile lassen sich durch einen der Vermahlung folgenden Sichtprozess abtrennen. Die Sichtung unter inerten Bedingungen kann dabei offline oder inline durchgeführt werden, wofür zwei grundsätzliche Anlagen und Sichtersysteme zur Auswahl stehen. Die Offline-Sichtung erfolgt mit dem NETZSCH Hochleistungsfeinstsichter m-Class und die Inlinesichtung mit dem Feinstsichter InlineStar M. Beide Sichterausführungen sind für die Sichtung von seltenen Erdpulvern optimiert worden. Das Verfahren der Vermahlung mit nachgeschalteter Sichtung der Seltenerdpulver wurde von NETZSCH zum Patent angemeldet.
Bei der Offline-Sichtung wird das Produkt über ein Dosiergerät und die Produktaufgabe (1) dem Sichter von oben zugeführt. Durch den Sichtgaseintritt (2) erfolgt die Zuführung des notwendigen Verfahrensgases, welches das Aufgabegut durch eine Vielzahl einstellbarer Leitschaufel-Spalte des statischen Leitschaufelkorbes (3) extrem gut dispergiert und dem Sichtrad (4) anbietet. Hier erfolgt die Trennung von Grob- und Feingut entsprechend der eingestellten (stufenlos regelbaren) Sichterraddrehzahl. Das “Feingut” verlässt die Maschine über das mit horizontaler Welle eingebaute Sichtrad im Zentrum des Sichters. “Grobe Partikel” werden vom Sichtrad abgewiesen, und durch das schraubenförmig ausgebildete, und mit einer Trennwand (5) versehene Maschinengehäuse rückseitig über den Grobgutaustritt (6) an der Gehäuseunterseite ausgetragen. Über die Stellung der sog. Grobgutklappe (7) kann der Austrag des Grobgutes bei schwierigen Trennaufgaben geregelt, und so die “Sauberkeit” des Grobgutes beeinflusst werden.
Durch die nachträgliche Sichtung konnten erstmals Nd-Fe-B-Pulver hergestellt werden, die entweder keine unerwünschten Feinstanteile oder wahlweise keine Grobanteile mehr enthalten. Bei einer zweifachen Sichtung können sowohl Feinst- als auch Grobanteile gezielt entfernt und so die Korngrößenverteilung des Pulvers exakt auf die jeweilige Anforderung angepasst werden.
Ergebnisse durch nachträgliches Sichten von Seltenerdpulvern und dessen Einflüsse auf die Eigenschaften von Nd-Fe-B-Magneten
Durch die nachträgliche Sichtung können gezielt unerwünschte Feinstanteile oder unerwünschte Grobanteile aus den gemahlenen Produkten entfernt werden. Jede beliebige Menge von Feinstanteilen kann separiert werden, indem die Sichterdrehzahl oder der Gasvolumenstrom durch den Sichter verändert wird. Entscheidend hierfür ist eine sehr gute Dispergierung des Produktes im Gasstrom. Nur so kann der Sichter die Partikel sauber selektieren und beste Ausbeuten und steile Kornverteilungen werden erreicht.
Abb. 5 zeigt den Unterschied in der Kornverteilung zwischen einem nur gemahlenem und einem nachträglich gesichteten Produkt. Der d10 Wert steigt von 1,54 µm auf 2,03 µm. Der Anteil der Feinstanteile < 1 µm liegt vor der Sichtung bei 2,8 % und nach der Sichtung bei nahezu 0,0 %.
In den letzten Jahren wurde auch die so genannte „Target Mill“ zur Vermahlung von Nd-Fe-B-Pulver eingeführt. Deutlich zu erkennen ist der Unterschied in der Breite der KGV zu einem konventionell hergestellten Produkt einer Target Mill und einer Probe, die auf einer m-Jet gemahlen und nachträglich im Hochleistungsfeinstsichter m-Class gesichtet wurde (Abb. 6).
Zum Vergleich der d90/d10-Verhältnisse wurden Proben mit verschieden d50-Werten gemahlen und anschließend einer Sichtung unterzogen. Hierbei zeigte sich, dass der d90/d10-Wert sich von der gemahlene Probe zur gesichteten erheblich verbessern lässt. Bei einem d50 = 3,0 µm werden Werte von 2,6 erreicht. Im Vergleich dazu wird beim ungesichteten Produkt bei gleichem d50 ein Wert von 3,6 für eine m-Jet oder klassische Fließbettgegenstrahlmühle erreicht. Die Target Mill liegt hier bei d90/d10 = 4,7 und damit fast doppelt so hoch wie die gemahlen und gesichteten Pulver (Abb. 7).
Visuell verdeutlichen lässt sich dies auch durch den Unterschied in den REM-Aufnahmen (Abb. 17) von gemahlenem im Vergleich zu gemahlenem und gesichtetem Nd-Fe-B-Pulver. Links die Aufnahme des gemahlenen Pulvers mit deutlich erkennbaren Feinstanteilen, rechts die zusätzlich gesichtete Probe ohne messbare Feinstanteile.
Um den Einfluss einer engeren Korngrößenverteilung auf die magnetischen Eigenschaften zu überprüfen, wurden Magnete mit unterschiedlichen Sinterbedingungen hergestellt. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass die Magnete aus den gesichteten Pulvern höhere Koerzitivfeldstärken aufweisen. Die Kniefeldstärke Hk und die Rechteckigkeit R = Hk/Hcj haben sich ebenfalls deutlich verbessert (Abb.10).
Klar zu erkennen ist auch ein Zusammenhang zwischen der Steilheit der KGV (d90/d10) und der Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve .Die Rechteckigkeit verhält sich umgekehrt proportional zum d90/d10. Engere Kornverteilungen erhöhen demnach die Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve.
Fazit
In den Sinterversuchen konnte zum einen gezeigt werden, dass aus Nd-Fe-B Pulvern, die auf der Dichtbettstrahlmühle m-Jet gemahlen wurden, Magnete mit guten magnetischen Eigenschaften hergestellt werden können. Damit kann die m-Jet als echte Alternative zu den bislang fast ausschließlich eingesetzten Gegenstrahlmühlen betrachtet werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass aus nachträglich gesichteten Nd-Fe-B-Feinpulvern auf dem üblichen Sinterweg anisotrope Magnete mit guten bis sehr guten magnetischen Eigenschaften erhalten werden können. Die höhere Koerzitivfeldstärke und die bessere Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve deuten darauf hin, dass diese Magnete ein homogeneres Gefüge aufweisen als übliche Vergleichsmagnete.
Die NETZSCH Trockenmahltechnik verfügt in Hanau über ein gut ausgestattetes Technikum für Versuche mit Seltenerdpulvern. Mahlungen auf Fließbettgegenstrahlmühlen vom Typ CGS sowie auf Spiralstrahlmühlen mit integriertem Sichter Typ m-Jet und Sichtungen auf dem Hochleistungsfeinstsichter m-Class in inerter Atmosphäre (Stickstoff) sind ebenso möglich wie die Durchführung verschiedenster Analysen wie z.B. Partikelgrößenbestimmung mit Laserbeugung (Malvern), REM und in Zusammenarbeit mit einem namhaften Institut auch ONH, OCN, ICP.