Rare-Earth-Free Iron-Nickel-based ordered phases for permanent magnet applications

Permanentmagneter er viktige komponenter i moderne teknologi og spiller en stor rolle for mange anvendelser innen energifeltet hvor de bidrar til omdanning av mekanisk arbeid til elektrisitet. Permanentmagnetene med best egenskaper i dag er basert på metallsammensetninger med sjeldne-jordarter (SJer). Kommersiell produksjon av magneter med SJer har alvorlige ulemper. De geografiske lokalitetene for utvinning av disse metallene har siden tidlig på 2000-tallet vært konsentrert til Kina, som har pålagt strenge eksportrestriksjoner og skattlegging. Dette har medført en kraftig økning i prisene på SJer og sterkt påvirket forsyningskjedene av råmaterialer til permanentmagneter, ofte kalt en «sjelden-jordart krise». På grunn av den begrensede tilgangen og svære prisfluktuasjoner, betrakter EU at SJer er kritiske råmaterialer, og dette nødvendiggjør behovet for å utvikle kraftfulle magneter uten, eller med svært begrenset, bruk av disse metallene. Tetrataenite, som er en ferromagnetisk, intermetallisk forbindelse bestående av Fe og Ni, har nylig blitt vurdert som det mest lovende materialet for å erstatte SJer i anvendelser for permanentmagneter. Dette materialet har bare blitt funnet naturlig i meteoritter og syntesen av det er svært krevende. Vår ambisjon med REFINE er å oppnå en klar forbedring utover «state-of-the-art» innen laboratorieproduksjon av ordnede Fe-Ni-baserte faser. Mekaniske aktiveringsprosesser slik som kule-mølling, fryse-mølling og kald-valsing er brukt for å påvirke atomær nærorden og skape en drivkraft mot kjemisk lokal ordning og bedre magnetiske egenskaper. REFINEs endelige mål er å utvikle og produsere neste-generasjon magnetiske materialer som er fri for SJ-metall, med klart forbedrede egenskaper og med anvendelse i permanentmagneter som inneholder billige, lett tilgjengelige og ikke-kritiske grunnstoffer. Kjerneaktivitetene er en del av arbeidsplanen for en doktorgradsstudent, som startet i desember 2021. De eksperimentelle oppgavene utført i 2023 er en videreføring av innsatsen igangsatt året før. Mekanisk bearbeiding av før-legeringer produsert ved kule-mølling og lysbuesmelting ble utført enten ved fryse-mølling eller ved kaldvalsing. Melt-spinning utført av vår FoU-partner IPSAS (Slovakia) ble også brukt til å produsere forskjellige utgangsmaterialer som inneholder små elementære tilsetninger. Etter mekanisk prosessering ble alle prøvene utsatt for langtids-varmebehandling ved moderate temperaturer for å fremme dannelsen av tetrataenittfasen. For å undersøke effekten av strukturelle defekter og små elementtilsetninger på atomarragementet, ble synkrotronpulverrøntgendiffraksjon utført ved den Svetis-Norske Strålelinjen ved ESRF i Grenoble og transmisjonselektronmikroskopi utført ved Oslo-knutepunktet til NORTEM. Magnetisk karakterisering av prøvene utføres ved Universitetet i Oslo.

REFINE's goal is to develop and produce a next-generation high-performing rare-earth-free magnetic material for permanent magnet applications, containing low-cost abundant elements and no critical raw elements. It will address the synthesis of the ordered L10 FeNi phase (tetrataenite), which in nature is found only in some meteorites, by systematically exploring the use of mechanical activation processing and by employing established structural, microstructural and magnetic characterization protocols to outline structure-property relationship in materials tetrataenite-containing materials. REFINE addresses the needs for providing new permanent magnets for smaller, lighter and more energy efficient electric devices, and accelerating the transition from fossil fuels to renewable energy sources and adoption of zero-emission transport modes. In addition to the low-cost of the constituent elements, processing and manufacturing conditions considered in this proposal fulfill the requirements of scalability, eco-efficiency and cost-effective implementation.