Ömrünü Tamamlamış NdFeB Mıkantısların Hidrojen Dekrepitasyonu Sırasında Mikroyapı ve Faz Dönüşümünün Araştırılması

Abstract

Talebi sürekli artması ve kaynakları sınırlı olan Nadir Toprak Elementlerinin (NTE) tedarik sorunu ortadan kaldırmak için yeni çözümler aranmaktadır. Geri dönüşüm, bu problemin çözümü için son zamanlarda çok fazla ilgi görmektedir. Hidrometalurjik ve pirometalurjik süreçler gibi yaygın geri dönüşüm yöntemlerine rağmen, kullanım ömrünü tamamlamış mıknatısların hidrürlenmesi hala geliştirme aşamasındadır. Bu tez, atık sabit disk sürücülerinden çıkarılan ömrünü tamamlamış NdFeB mıknatıslarını tozlaştırmak için uygulanan hidrürleme işlemi sırasında gerçekleşen mikro yapısal evrimi ve faz dönüşümünü araştırmayı ve geri dönüşüme doğru ilk adımı atmayı amaçlamaktadır. İlk adımda, hidrürleme işleminin uygulanabilirliği sıcaklık, yüzey koşulları, tutma süresi, gaz akış hızı ve numune kalınlığı gibi çeşitli parametreler açısından değerlendirilmiştir. Sonuçlar analiz edilirken, yalnızca sıcaklığın mikro yapı ve faz dönüşümü üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla sıcaklık dışındaki tüm parametreler ikinci adım için sabitlenmiştir. 4,5 mm kalınlığında kaplamaları tamamen soyulan numuneler daha sonra 2 litre/dakika gaz akış hızı ile 2 saat boyunca 25 ve 400˚C arası sıcaklıklarda hidrürlenmiştir. Elde edilen toz daha sonra X-Işını Kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS) ve parçacık boyutu analizi ile karakterize edilmiştir. NdFeB sisteminde hidrojen difüzyon kinetiklerini daha iyi tanımlamak amacıyla modifiye edilmiş bir çekirdek küçülme modeli de geliştirilmiştir. Sonuçlar, neodimyum hidrür oluşumunun 200˚C'nin altındaki sıcaklıklarda termodinamik olarak uygun olduğunu, ancak kinetik olarak engellendiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, çatlak oluşumu ve ilerlemesi ile gerilme analizi incelenmiştir ve bulgular düşük sıcaklıklarda hidrürleme sırasında revize edilmiş bir tozlaştırma mekanizmasının önerilmesine yol açmıştır. Bu mekanizmaya göre, düşük sıcaklıkta hidrürleme sırasında kullanım ömrünü tamamlamış NdFeB mıknatıslarda tozlaşmanın başlıca nedeni, Nd2Fe14B matris taneleri içinde hidrür oluşumudur. Nd bakımından zengin fazdan NdH2 oluşumunun ise tozlaşma süreci üzerinde çok az etkisi olduğu veya hiç önemi olmadığı görülmektedir.Due to the ever-increasing demand and limited resources of rare earth elements (REEs), new solutions are being sought to overcome the supply risk of REEs. To achieve this, a lot of attention has recently been paid to recycling. Despite the more common recycling methods, including hydrometallurgical and pyrometallurgical processes, hydrogen processing of magnetic scrap (HPMS) is still in the development stage. This dissertation aims to investigate the microstructural evolution and phase transformation during the hydrogen decrepitation (HD) process to pulverize the end-of-life (EoL) NdFeB magnets recovered from discarded hard disk drives (HDDs) to take a first step towards recycling. In the first step, the feasibility of the HD process was evaluated with regard to various influencing parameters such as temperature, surface conditions, holding time, gas flow rate, and sample thickness. When analyzing the results, all parameters except temperature were fixed for the second step in order to evaluate only the effects of temperature on the microstructure and phase transformation. The samples were then hydrogenated in the range of 25 to 400˚C, with a holding time of 2 hours, a gas flow rate of 2 L/min, and a thickness of 4.5 mm, and all were completely decoated. The resulting powder was then characterized by X-ray diffraction, SEM-EDS, and particle size analysis. A modified shrinking core model was also developed to better describe the hydrogen diffusion kinetics in the NdFeB system. The results reveal that neodymium hydride formation is thermodynamically favorable at temperatures below 200˚C but is kinetically hindered. Moreover, the crack initiation and propagation, along with the stress analysis, were studied. These findings led to the proposal of a revised pulverization mechanism of the NdFeB magnet during hydrogenation at low temperatures. Accordingly, the primary driver of pulverization in EoL NdFeB magnets during low-temperature hydrogenation is the formation of hydrides within the Nd2Fe14B matrix grains, and the formation of NdH2 from the Nd-rich phase appears to have little to no significant effect on the pulverization process.