Seltene Erden - GIT

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18.02.2016
Seltene Erden
Seltenerdhaltige Permanentmagnete effizient recyceln
Viele moderne Technologien basieren auf dem Einsatz funktionaler
Materialien, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer
Mikrostruktur für die jeweiligen Anwendungen spezielle makroskopische
Eigenschaften aufweisen. 1
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Oliver Diehl , Eva Brouwer , Alexander Buckow , Roland Gauß , Oliver Gutfleisch
1,2
Einsatzgebiete und Aufbau
In heutigen Fahrzeugen befinden sich zahlreiche elektrische Kleinstmotoren, im
Maschinenbau sind elektrische Stellmotoren und Antriebsstränge ebenfalls weit
verbreitet, Audiogeräte und Computerfestplatten sind aus dem privaten wie
beruflichen Bereich nicht mehr wegzudenken. In Zukunft werden wir Energie
verstärkt mit Windkraftanlagen erzeugen und die Elektromobilität wird andere, auf
fossilen Treibstoffen basierende Fortbewegungstechnologien ersetzen [1].
Diese verschiedenen Technologien haben eines gemeinsam: Für eine möglichst
störungsfreie und effiziente Funktion enthalten sie starke Permanentmagnete. Die
mit Abstand höchste Energiedichte weisen seltenerdhaltige Magnete auf der Basis
von Neodym-Eisen-Bor auf. Die teilweise Substitution von Neodym durch
Dysprosium ermöglicht den Einsatz dieser Permanentmagnete auch bei höheren
Temperaturen, was insbesondere beim Einsatz in Motoren von großer Bedeutung
ist. Durch die stark wachsende Nachfrage in vielen Anwendungsgebieten ist der
Bedarf nach diesen Materialien im vergangenen Jahrzehnt kontinuierlich gestiegen. Die Versorgung Deutschlands und anderer Hightech-Standorte mit Neodym und
Dysprosium, wie auch mit Seltenerdmetallen generell, wird allerdings als kritisch
eingestuft. Die Elemente der Seltenen Erden, einer Gruppe von chemischen
Elementen zu der neben Neodym und Dysprosium noch 15 weitere Elemente
zählen, liegen in der Natur in Form von Oxiden vor. Zusätzlich handelt es sich bei
den abgebauten Materialien immer um ein Gemisch aus mehreren Seltenerdoxiden.
In der Primärproduktion müssen die Seltenerdelemente deshalb zuerst aufwendig
extrahiert, konzentriert, getrennt, reduziert und schließlich in Legierungen
überführt werden.
Ein bedeutender Anteil der so gewonnenen Elemente wird für die Produktion von
Permanentmagneten verwendet. Da für die Zukunft mit einer steigenden Nachfrage zu rechnen ist, führt langfristig
kein Weg an einem Recycling und der teilweisen Substitution dieser Elemente
vorbei. Neben dieser Notwendigkeit ergeben sich durch die Nutzbarmachung von
in Altmagneten enthaltenen kritischen Elementen weitere Vorteile. Verglichen mit
dem energieintensiven und die unmittelbare Umwelt negativ beeinflussenden
Primärabbau, haben Magnete aus Recyclingmaterial das Potential, günstiger zu
sein als solche aus Primärmaterial und haben eine deutlich bessere Ökobilanz. Ein
Recycling würde zudem die Abhängigkeit der Unternehmen von
globalwirtschaftlichen und geopolitischen Entwicklungen mindern und bietet die
Chance, vor Ort eine bedeutende Wertschöpfungskette zu etablieren.
Recyclingansätze
Für ein Recycling von Permanentmagneten gilt es zu beachten, dass nicht eine
einzige Legierung Nd-Fe-B existiert, sondern dass diese Basislegierung in vielen
Fällen anwendungsspezifisch modifiziert mit dem Ziel, Eigenschaften wie
Temperaturstabilität, Korrosionsverhalten und magnetische Kennwerte für die
jeweilige Anwendung zu optimieren. Abbildung 1 zeigt exemplarisch die analysierte
chemische Zusammensetzung eines Altmagneten. Neben Neodym, Eisen und Bor,
besteht er weiterhin aus den Seltenerdelementen Dysprosium und Praseodym sowie
weiteren Elementen, die die Eigenschaften des Magneten anwendungsspezifisch
optimieren.
Derzeit gibt es kein im industriellen Maßstab etabliertes Verfahren, nach dem
seltenerdhaltige Altmagnete aus Endanwendungen recycelt werden können, so dass
die Seltenerdelemente im Metallschrott verloren gehen [2, 3].
Ein Recycling von Altmagneten ist prinzipiell auf drei Ebenen denkbar: Direkte
Wiederverwendung (Re-Use), rohstoffliches und werkstoffliches Recycling [2, 4].
Direkte Wiederverwendung (Re-Use)
Dieser Ansatz erscheint aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten als
beste Lösung. Da sich jedoch Merkmale wie Legierungszusammensetzung und
Geometrie über die Jahre verändert haben und immer für die konkrete Anwendung
angepasst wurden, wird ein direkter Re-Use nur in Einzelfällen möglich sein, sofern
zusätzlich keine irreversiblen Schädigungen, insbesondere Korrosion, vorliegen [4,
5].
Rohstoffliches Recycling
Darunter fallen alle Ansätze, die auf ein Herauslösen einzelner Elemente oder
Verbindungen aus den Legierungen abzielen. Die Forschung konzentriert sich hier
auf pyro- und hydrometallurgische Verfahren, die teilweise auch in der
Primärproduktion Anwendung finden, jedoch auch sehr energieintensiv sind, sowie
Gasphasenreaktionen und Bioleaching-Prozesse [2, 4].
Werkstoffliches Recycling
Der Vorteil eines werkstofflichen Recyclings liegt darin, dass die vorhandene
Altmagnetlegierung komplett recycelt wird. Da die wirtschaftlich bedeutenden
Seltenerdmetalle Neodym, Dysprosium und Praseodym hauptsächlich für die
Herstellung von permanentmagnetischen Legierungen verwendet werden, liegt es
nahe, ein Recyclingverfahren für die gesamte Legierung zu etablieren. Auf dieser
Ebene existieren mehrere Short-Loop-Recyclingverfahren, mit denen in wenigen
Prozessen aus Altmagneten das Ausgangsmaterial für neue Permanentmagnete
erzeugt werden kann [2]. Eine davon ist die hier vorgestellte
Rascherstarrungstechnologie.
Rascherstarrungstechnologie
Der Prozess der Rascherstarrung wird seit Jahren zur Herstellung
unterschiedlicher Metalllegierungen und auch in der Primärproduktion von
Magnetmaterial eingesetzt. Industriell werden Permanentmagnete zu über 90%
durch Sintern hergestellt [6]. Alternativ dazu werden aber auch mittels
Rascherstarrung oder Wasserstoffbehandlung nanokristalline Pulver erzeugt, aus
denen heißgepresste und -umgeformte oder kunststoffgebundene Magnete
hergestellt werden [7]. Diese für die Primärproduktion etablierte Route lässt sich
auch für ein werkstoffliches Recycling von Altmagneten verwenden.
Beim Rascherstarrungsprozess werden die Altmagnete, wie im Titelbild dargestellt,
in einem Tiegel induktiv aufgeschmolzen. Anschließend gelangt die über 1200°C
heiße Schmelze durch eine Düse im Boden des Tiegels auf ein schnell rotierendes,
wassergekühltes Kupferrad. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers,
geht die Wärmeenergie aus der Schmelze innerhalb von Millisekunden in das Rad
über (die typische Abkühlrate beim Rascherstarren liegt um 1 Mio. K/s) und der
Schmelztropfen erstarrt auf dem sich drehenden Rad zu einem flachen “Flake“. Diese schnelle Abkühlung verhindert die Anordnung der Atome im sonst typischen
Kristallgitter. Stattdessen wird hier eine amorphe Struktur erzeugt, bei der die
Atome ohne jegliche Fernordnung angeordnet sind, oder eine nanokristalline
Struktur, bei der die Atome zu Körnern in nanometergroßen Bereichen
kristallisieren (Abb. 2). Welche Mikrostruktur während des Erstarrens in den
Flakes erzeugt wird, kann gezielt durch die Prozessparameter, wie Geschwindigkeit
des Kupferrades oder Temperatur der Schmelze, beeinflusst werden.
Zusätzlich zur optimierten Mikrostruktur ermöglicht der Prozess die chemische
Zusammensetzung der Legierung durch Additive zu modifizieren und im Fall von
stark oxidiertem Material den Sauerstoffgehalt zu reduzieren. Die so erzeugten
Flakes können anschließend zu Pulver gemahlen und je nach Anwendung
wahlweise zu kunststoffgebundenen oder heißgepressten/-umgeformten Magneten
weiterverarbeitet werden.
Die aktuell bei der Fraunhofer Projektgruppe IWKS verwendete
Rascherstarrungsanlage liegt mit einem Fassungsvermögen von 500 g zwischen
einer Labor- und einer Großanlage. Nachdem mit dieser Anlage und über die
beschriebene Prozessroute erste recycelte Permanentmagnete hergestellt werden
konnten, konzentriert sich die weitere Forschung nun darauf, die Prozessparameter
während der Rascherstarrung und in den anschließenden Prozessen zu optimieren,
um möglichst hohe Ausbeuten und gute magnetische Eigenschaften zu erzielen.
Zusammenfassung und Ausblick
Ein Recycling von Permanentmagneten und den darin enthaltenen kritischen
Elementen bietet ökonomische Vorteile und eröffnet eine alternative Quelle für
diese strategische Materialien.
Das vorgestellte Recyclingverfahren orientiert sich an einer in der
Primärproduktion von Permanentmagneten etablierten Prozessroute. Im
Labormaßstab konnte gezeigt werden, dass sich diese Route prinzipiell auch für ein
Recycling dieser Materialien nutzen lässt. Dabei ermöglicht dieser Recyclingansatz
den Wiedereinsatz der kompletten Legierung bei verhältnismäßig geringem
Energie- und Kostenaufwand.
Zugehörigkeiten
1
Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS
2
Material Science, TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
Literatur
[1] O. Gutfleisch, M. A. Willard, E. Brück, C. H. Chen, S. G. Sankar und J. P. Liu,
Adv. Mater. 23, pp. 821-842, 2011. DOI: 10.1002/adma.201002180
[2] R. Gauß, O. Diehl, E. Brouwer, A. Buckow, K. Güth und O. Gutfleisch, Chemie
Ingenieur Technik, Nr. 87 (11), 2015. DOI: 10.1002/cite.201500061
[3] M. Buchert, A. Manhart und J. Sutter, 2014.
[4] K. Binnemanns, P. T. Jones, B. Blanpain, T. Van Gerven, Y. Yang, A. Walton und
M. Buchert, J. Cleaner Prod. 51, pp. 1-22, 2013. doi:10.1016/j.jclepro.2012.12.037
[5] U. Bast, R. Blank, M. Buchert, T. Elwert, F. Finsterwalder, G. Hörnig, T. Klier, S.
Langkau, F. Marscheider-Weidemann, J.-O. Müller, C. Thürigen, F. Treffer und T.
Walter, MORE_Abschlussbericht.pdf, 2014.
[6] D. N. Brown, Z. Wu, F. He, D. J. Miller und J. W. Herchenroeder, J. Phys.:
Condens. Matter 26 (2014) 064202 (8pp). doi:10.1088/0953-8984/26/6/064202
[7] O. Gutfleisch, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, pp. R157-R172, 2000. doi:10.1088/00223727/33/17/201
Kontakt
Oliver Diehl
Fraunhofer-Projektgruppe IWKS
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)
Hanau, Deutschland
[email protected]
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