Neodym für Magnete

Ein starkes Stück

Der weltweit größte Anteil nämlich 95% der seltenen Erden (SE) wird zurzeit in China gefördert. China hat seit 1972 die Entwicklung von Trenn- und Schmelztechniken für die begehrten Metalle vorangetrieben und ist das einzige Land, das SE (Abb. 1) in allen Reinheitsgraden und Spezifikationen anbieten kann. Nicht nur Zwischenprodukte wie Metalle, Legierungen oder Carbonate werden hergestellt, sondern auch Endprodukte wie LCD-Bildschirme, Digitalkameras, LEDs, Katalysatoren, Batterien oder Magnete.

Die SE-Förderung

SE sind mit anderen Metallen als Beimengungen vergesellschaftet, so auch in der größten SE-Mine in Bayan-Obo (Innere Mongolei), wo Eisenerz mit SE-Gehalten von 3–5% im Tagebau gefördert wird. Das Roherz wird fein zermahlen und durch magnetische und gravimetrische Methoden sowie vor allem durch Flotation aufkonzentriert, wobei große Mengen an Wasser und Chemikalien eingesetzt werden müssen. Das gewonnene Konzentrat mit einem SE-Gehalt zwischen 30 und 70% wird zunächst bei höheren Temperaturen mit H₂SO₄ behandelt, um fluoridhaltige Bestandteile und CO₂ zu entfernen. Das Gemisch wird danach mit Wasser ausgelaugt, filtriert und die SE mit (NH₄)₂CO₃ bzw. HCl ausgefällt. Zur weiteren Trennung wird hauptsächlich die Flüssig-Flüssig-Extraktion mit (C₈H₁₇O)₂POH/HCl [Bis(2-ethylhexyl)hydrogenphosphit] eingesetzt. Aus den Lösungen werden wieder mit (NH₄)₂CO₃ oder Oxalsäure die SE als SE₂(CO₃)₃ bzw. RE₂(C₂O₄)₃ ausgefällt und daraus durch Erhitzen die Oxide gewonnen.

Kehrseite der SE-Förderung sind die starken Umweltbelastungen und Risiken, die durch Abbau und Aufarbeitung und die dadurch anfallenden kontaminierten Rückstände entstehen.

Neodym-Magnete

Zu den besonders begehrten Metallen gehört Neodym (Nd) wegen seiner einzigartigen magnetischen Eigenschaften. Seine Produktion erhöhte sich von 1987–2006 von 29 auf 7032t, das entspricht etwa 65% der Gesamtproduktion an SE.

Die ersten SE-Magnete wurden in den 1960er Jahren auf der Basis Sm/Co entwickelt. Die später gebauten, kostengünstigeren Nd/Fe-Permanentmagnete übertrafen die der ersten Generation um den Faktor 2,5 und Al/Fe-Versionen um den Faktor 7–12. Heutige Magnete bestehen aus einer Mischung aus Nd, Fe und B im Verhältnis 2:14:1. Nd-Magnete werden in Anwesenheit eines externen Magnetfeldes wie keramische Werkstoffe durch Formen und Sintern hochreiner Ausgangsstoffe hergestellt.

Der Werkstoff Nd₂Fe₁₄B besitzt eine hohe Kristallanisotropie, weil das 4f-Niveau des Nd (6f³) durch die besetzten 5s- und 5p-Orbitale abgeschirmt wird und damit das Bahnmoment der Spins erhalten bleibt. Wegen ihrer Wechselwirkung mit dem anisotropen Kristallfeld ist ein Umklappen der Spins schwerer möglich. Die Magnete zeigen deshalb hohe Koerzitivfeldstärken jHc zwischen 870–2750kAm^-1.

Verschiedene Maßnahmen erhöhen die Leistungsfähigkeit der Magnete. Vor dem Sintern wird das Material in Gegenwart eines starken Magnetfeldes in die gewünschte Form gepresst. Dabei entstehen die eigentlichen magnetisch wirksamen kristallinen Nd₂Fe₁₄B-Partikel, die umgeben sind von einer Nd-reicheren Pase. An den Korn­grenzen müssen vor allem Verunreinigungen durch Nd₂O₃ vermieden werden, die beim Herstellungsprozess entstehen können. Man arbeitet deshalb bei einem Sauerstoffgehalt < 1 ppm.

Beim Sinterungsprozess werden bis zu 3% Dysprosium (Dy) zugegeben, um die Leistung weiter zu erhöhen. Das Element ersetzt einen Teil des Nd an der Peripherie der kristallinen Partikel und erhöht dadurch die Koerzitivkraft des Magneten. Dy wird im sog. HAL-Verfahren über Diffusionsprozesse in den bereits gesinterten Nd-Magneten bei mäßigen Temperaturen eingebracht und ersetzt die Nd-reiche Phase durch Dy₂Fe₁₄B-Aggregate.

Erst mit Dy-Magneten gelang die Miniaturisierung elektronischer Bauteile, die Entwicklung kompakter Aggregate für Autos mit elektrischem oder Hybrid-Antrieb. Dazu gehören auch leistungsfähige Generatoren, die vor allem für Windräder eingesetzt werden, weil sie keine Getriebe benötigen.

GS

Literatur:

Öko-Institut e.V. 2011; Seltene Erden - Daten und Fakten.
Öko-Institut e.V. 2011; Study on Rare Earths and Their Recycling (www.oeko.de).

Foto: © panthermedia | Sven steinbruck