Microstructure and magnetic properties of high-pressure torsion synthesized hard magnetic materials

Titel in Übersetzung: Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften von unter Hochdrucktorsion synthetisierten hartmagnetischen Materialien

Lukas Emanuel Weissitsch

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Das steigende Bewusstsein der Öffentlichkeit für grüne Technologien spiegelt sich in der zunehmenden Nachfrage nach erneuerbarer Energie und Elektromobilität wieder. Dies führt zu einer jährlich steigenden Produktion von Permanentmagneten. Die Leistung und Effizienz von Generatoren, Motoren und elektrischen Komponenten hängt von den gewählten Hochleistungsmagneten ab, die eine erhebliche Menge an Kobalt oder Seltenerdmetallen enthalten. Jedoch stehen die Produktion mit fragwürdigen Arbeitsbedingungen und Umweltproblemen im Zusammenhang, und die Verfügbarkeit dieser Materialien unterliegt einer monopolistischen Situation. Lieferengpässe, welche bereits von internationalen Institutionen erkannt wurden, stellen einen kritischen Engpass für die moderne wirtschaftliche und soziale Entwicklung dar.
Diese Arbeit widmet sich der Suche nach Alternativen im Bereich der hartmagnetischen Materialien. Dabei liegt der Fokus auf zwei fundamentalen Ansätzen. Einerseits wird die Nutzung magnetischer Kopplungseffekte, bekannt unter den Begriffen \glqq exchange coupling\grqq{} und \glqq exchange bias\grqq, zur Reduzierung des Anteils kritischer Elemente ausgenützt. Andererseits wird die Herstellung einer Seltenenerdmetall-freien ferromagnetischen Phase, konkret der $\upalpha$-MnBi Phase, betrachtet. Für die Materialverarbeitung wird eine starke plastische Verformung durch Hochdrucktorsionsumformung angewendet, die es ermöglicht eine hohe und einstellbare Dehnung aufzubringen. Durch die Verwendung von Phasen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften führt diese Top-Down-Technik sowohl zu einer Verfeinerung der Mikrostruktur als auch zu stark verfeinerten Verbundstrukturen, wobei die makroskopischen Proben-Abmessungen erhalten bleiben.
Um einen exchange bias zu erreichen, werden umfangreiche mikrostrukturelle Herstellungswege und Charakterisierungen des Fe-Cr Materialsystems durchgeführt. Eine beobachtete gleichzeitige Verformung von Pulvern resultiert in einer nicht ausreichenden Verfeinerung für einen exchange bias, aufgrund einer signifikanten Steigerung der Härte. Das Verformungsverhalten wird verbessert, indem umgeschmolzenes Fe-Cr als Ausgangsmaterial verwendet werden, welches zu einem Mischkristall mit starker Kronfeinung führt. Eine bemerkenswerte Temperaturstabilität wird beschrieben, die eine Zersetzung in fein verteilte Fe- und Cr-Phasen verhindert. Dies gilt sowohl für erhöhte Glühtemperaturen als auch für verlängerte Glühzeiten. Ein mehrsektoraler 2-stufiger Hochdrucktorsions-Prozess wird entwickelt, um die Phasen zu verfeinern und gleichzeitig eine Vermischung von Fe und Cr zu verhindern. Trotz vielversprechender Ergebnisse wird innerhalb dieses Materialsystems kein exchange bias beobachtet.
SmCo$_5$ wird durch Hochdrucktorsiuonsumformung plastisch verformt und dient als harte magnetische Phase für einen \glqq exchange coupled Spring-Magneten\grqq. Die Kopplung wird über eine breite Variation chemischer Zusammensetzungen nachgewiesen. Eine Änderung der Betriebstemperatur ermöglicht die Einstellung zwischen dem exchange coupled Magneten und dem entkoppelten Zustand. Der Einfluss einer durch Hochdrucktorsionsumformung verursachten texturierten Mikrostruktur führt zur Bildung eines anisotropen Dauermagneten.
Im Bezug auf die Herstellung von makroskopischen Proben ist die erfolgreiche Herstellung der Seltenerdmetall-freien MnBi-Phase hervorzuheben . Die hohe mikrostrukturelle Defektdichte, die durch Hochdrucktorsionsumformung verursacht wird, verstärkt die Bildung der $\upalpha$-MnBi-Phase während eines anschließenden Glühverfahrens. Eine Verformung bei 2~GPa wird gegenüber 5~GPa bevorzugt, ebenso wie eine höhere aufgebrachte Dehnung. Die thermische Behandlung wird durch Bereitstellung von Vakuumbedingungen und eines externen Magnetfeldes während des Glühens maßgeblich verbessert. Die gebildete $\upalpha$-MnBi-Phase wird untersucht und ein Einfluss der Scherstruktur der Probe in Bezug auf die angelegte Feldrichtung während des Glühens wurde festgestellt. Dadurch können die magnetischen Eigenschaften zwischen einem isotropen und einem anisotropen Verhalten eingestellt werden.
Titel in ÜbersetzungMikrostruktur und magnetische Eigenschaften von unter Hochdrucktorsion synthetisierten hartmagnetischen Materialien
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Beurteiler B (extern)
  • Würschum, Roland, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Pippan, Reinhard, Betreuer (intern)
  • Clemens, Helmut, Beurteiler A (intern)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2024

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Hochverformung
  • Hochdrucktorsion
  • Gefügestrukturabstimmung
  • nanokristallines Material
  • Dauermagnet
  • Selten-Erd frei
  • hartmagnetisches Material
  • magnetische Kopplungsmechanismen

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