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烧结钕铁硼磁体生产工艺的发展


烧结钕铁硼磁体生产工艺的发展
烧结磁体是目前最大宗的商品磁体。其工艺基本沿用制备钐—钴磁体的粉末冶金法, 程序为: 熔烧—合金锭粉碎—研磨—磁场下取向成型—烧结—回火时效—充磁检测等。 首先 将 Fe 和 B 冶炼成 Fe-B 合金,然后于真空反应炉中按一定要求配比,在 Ar 气下融化成三元 合金,浇铸至水冷铜模中。然后进行制粉,通常采用球磨和气流磨等方法,还有还原扩散

制 粉,HDDR 方法制粉,用快淬技术加球磨或气流磨方法制粉等。 烧结钕铁硼磁体的永磁性能取决于内禀磁性和微结构。内禀磁性主要由材料的化学成 分决定,是结构不灵敏。内禀磁性决定了材料宏观磁性能的理论极限, 为得到高性能钕铁 硼磁体,首先要提高钕铁硼磁体中磁性相的饱和磁极化强度,可以通过以下措施实现: (1)保证原材料的纯度,以减少由于杂质元素引起的性能降低; (2)增加钕铁硼磁体中磁性相的含量,这可以通过合适的成分配比,在保证矫顽力的前提 下使得生产后磁体的组分接近磁性相的组分; (3)提高磁性相的取向度,主要通过生产工艺保证磁体中的颗粒都是单晶颗粒或接近单晶 颗粒,并且有良好的颗粒粒径分布。在原材料纯度一定的前提下,生产工艺决定了磁体的性 能。

1.铸锭生产工艺及装备的发展
合金铸锭的显微组织对于后续工艺的制粉环节、 磁场取向成型环节、 坯料烧结过程都有重要 的影响,并进而影响到烧结钕铁硼磁体的性能。从制造永磁材料的角度来看,希望铸锭组织 中不存在粗大的 α —Fe 枝状晶。 (这是由于 α —Fe 枝状晶的塑性较好, 使铸锭难以破碎, 给制粉过程造成困难;同时需延长烧结时间以获得均匀的 Nd2Fe14B 晶体。同时,如铸锭 组织中存在团块状富 Nd 相,则会影响烧结时富 Nd 相均匀分布。 )为了减少α —Fe 枝状 晶,可以采用大容量的感应炉,并选用导热性能良好的铜锭模,采用以下两种工艺:一种工 艺是把铸锭高温均匀化处理, 1000℃的温度且在惰性气体保护下恒温 10h 左右, 在 可以减 少 α —Fe,但该工艺耗费时间、增加成本,不适合工业化批量生产;另一种工艺是双相合 金法,即主相和液相分别熔炼、破碎,然后混合、制粉、烧结,这种方法也可以用于生产高 性能磁体,但工艺复杂,不适合大批量的工业生产。SC 鳞片技术的出现,使铸锭生产工艺 达到最新水平。 鳞片技术是将熔融的合金浇注到旋转的水冷铜辊上, SC 生产出鳞片状铸锭, 厚度大约 0.25~0.35mm。鳞片的冷凝速度快,可以很好的抑制 α —Fe 的析出,且鳞片的

粉碎性很好,同时鳞片技术改善了富钕相的分布,可以生产磁性能优异的钕铁硼磁体。

2.破碎制粉工艺及装备的发展
钕铁硼粉末的状态, 特别是粒径分布、 颗粒形状对磁体的取向度和烧结工艺有着重要的影响。 粉末制备的传统方法是机械破碎与球磨制粉。机械破碎采用颚式破碎、带筛球磨等方法,在 惰性气体保护下进行。 球磨制粉有振动球磨和滚动球磨等, 振动球磨制备的粉末形状不规则, 不利于磁场取向;滚动球磨由于需要汽油保护,工艺复杂,效率不高。目前,钕铁硼厂家基 本上都用气流磨制粉。气流磨制粉是采用物料自身的高速碰撞来粉碎,对磨室内壁无磨损, 无污染,可以高效率地制备粉末。但是该工艺严重破坏了合金的主相晶粒结构,使富钕相不 能均匀分布在主相晶粒边界, 特别是对一些晶粒粗大的合金, 破碎后的主相晶粒和富钕相各 自分离,无法制备高性能的磁体。 现在采用 HD 工艺,即将钕铁硼合金置于氢气环境下,氢气沿富钕相薄层进入合金,使 之膨胀爆裂而破碎,沿富钕相层处开裂,保证了主相晶粒及富钕晶粒间界相的完整。HD 工 艺破碎后的气流磨制备的粉末粒度分布集中,表面缺陷少,可以用于制造高性能的磁体。稀 土元素极易氧化,由于钕铁硼粉末的粒度特别小,更是易于氧化,因此气流磨制粉的过程中 要用惰性气体保护, 同时在制粉前添加一定比例的防氧化剂可以保护粉末使之不易氧化, 并 且可以提高制粉效率。

3.磁场取向成型工艺及装备的发展
磁场取向成型工艺中取向场的大小, 与压制方向的相对方向, 粉末的松装密度都对磁体 的取向度有重要影响。目前已有:①湿压成型技术,是把钕铁硼的粗粉装入喷射式超细粉碎 机,超细粉出口处进入溶剂油形成粉浆,注入模具内进行磁场取向成型,该技术粉浆不易氧 化,可以取得较高的取向度,所制得的钕铁硼磁体晶粒尺寸小,均匀一致,磁性能较高 ; ②脉冲磁场取向技术, 在压机恒磁场上加脉冲磁场, 脉冲磁场一方面可以提高主相颗粒的取 向度,还可以提高粉末的松装密度,从而进一步提高取向度,取向度约可提高 1.5% ;③ 橡皮模压技术, 将粉末装入橡皮模, 在脉冲磁场中进行取向, 再在压机的恒磁场中压制成型, 在橡皮模中,粉末受到的的是等静压压缩,可以使磁体获得较高的取向度和剩磁,与金属模 压相比,剩磁大约可以提高 5%~7%;④近终成型磁场压机,对于异形磁体,采用特殊的

模具工装,直接成型,烧结后的磁体只需要进行稍微表面处理即可投入使用,大大节省了材 料和后续的加工成本。

4.烧结热处理工艺及装备的发展
烧结是材料的最后成型过程, 对磁体的密度和微观结构有着极为重要的影响。 烧结炉有 单室和多室两种结构。对单室结构烧结炉,通过控制温度、压力调节烧结工艺。多室连续多 功能烧结炉具有准备室、预热室、烧结室、冷却室,每个工作室按工艺要求具有确定的温度 和气氛条件,待烧结的坯件按工艺流程依次进入上述各室,经预定的烧结程序后出炉。采用 多室连续多功能烧结技术可使坯料在保护气氛下进入烧结炉, 加热室控温精度高, 准备室具 有脱去气体和有机溶剂的功能,冷却室具有 600kPa(6bar)的高压气淬功能,从而保证工 艺条件均匀,产品一致性好。适于大批量生产高性能钕铁硼磁体,但是多室设备价格昂贵, 维护费用较高。 但是磁性能提高的同时磁体的脆性增大,韧性降低。而且随着烧结 NsFeB 磁体应用领 域的不断扩展,磁体要经受冲击、震动等恶劣环境的考验。所以今后要优化生产工艺,提高 磁体的韧性,降低毛坯后续处理过程的破损和在环境中断裂的危险。 在研究不同工艺磁体微观断裂机制的差异时, 发现合金锭加氢化磁体只有富钕相参与氢 化,而速凝加氢化磁体主相晶粒参与了氢化,并且在氢化过程中发生了晶格畸变。

5.机加工与表面处理工艺及装备的发展
我国生产的钕铁硼磁体一般均为毛坯, 需要进一步的表面机械加工处理。 钕铁硼磁体比 较脆,力学性能较差,一般只能采用磨削加工和切削加工。随着钕铁硼产业的发展,对钕铁 硼磁体的要求越来越高,有的磁体设计得特别小,特别薄,重量只有十几毫克到几十毫克, 形状也十分复杂,原来的加工设备越来越不能满足钕铁硼加工的需要。同时,钕铁硼磁体由 于耐腐蚀性较差, 一般要经过表面防腐处理后才能使用, 目前主要采用保护涂层的方法用以 防腐。常用的金属涂层有 Ni、Zn 等等,用电镀、化学镀的方法覆盖磁体表面;常用的聚 合物涂层是环氧树脂, 用喷涂和电泳的方法覆盖磁体表面。 近来 Al 的真空离子镀和有机溶 液镀在钕铁硼磁体的表面处理取得了积极的进展,Al 涂层显示了优良的防护性能 。

6.不同元素对其性能的影响
磁能积 NdFeB 磁体中稀土 Nd、 含量强烈影响磁性能和耐蚀性能,当 Nd 含量在 12· Dy 77% 时,磁体具有较高的最大磁能积,但形成了较多的易腐蚀阳极含量,不利于耐腐蚀性能提高。添 加的 Dy 改善了磁体的微观组织,提高阳极过电位,有利于矫顽力、耐蚀性能提高。 可添加 Zr 元素,以降低钕铁硼磁体对烧结温度的敏感性,提高磁体的耐烧结温度,并 且不发生晶粒的异常长大。复合添加 Zr 和 Nb 克服了烧结炉内温度场分布不均匀引起的 磁体性能稳定性差的问题,最终制备了高磁能积且性能稳定的磁体。 在钕铁硼合金中加入适量的 Gd,可以抑制α -Fe 的生成。在高氧含量工艺下制作烧结钕 铁硼磁体, Gd 的含量应小于 5%,否则, Gd 将大幅降低钕铁硼磁体的磁性能。 在磁体中, Gd 除 了进入主相外,还进入 Gd 富稀土相, Gd 进入主相是降低磁体矫顽力的主要原因。

7.粘结磁体
粘结 NdFeB 磁体是由 NdFeB 磁粉与粘结剂和其它助剂按一定比例均匀混合, 然后用 压制、挤出或注射成型等方法制成的复合永磁材料。它主要采用模压工艺,粘结剂一般使用 热固性树脂较为合适。 粘结磁体具有优异的磁性能和机械性能以及良好的可加工性, 且价格 适中。全球汽车产量的持续增长为粘结 NdFeB 磁体提供了广阔的市场前景。而其高性能使 高新技术产业中的磁器件高效小型化、轻型化,在汽车,计算机中应用量很大。


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