燒結(jié)釹鐵硼永磁材料制備技術(shù)實(shí)用教案

1、2022-5-211稀土永磁材料稀土永磁材料(cilio)(cilio)的發(fā)展的發(fā)展 稀土永磁材料到目前為止已經(jīng)發(fā)展了三代產(chǎn)品，1966 年 K.Strnat 應(yīng)用粉末粘結(jié)法制作了 RECo5型合金，該材料具有極高的磁各向異性常數(shù)，稱(chēng)為第一代稀土永磁體也即 1：5 型 SmCo合金，磁能積典型值為 200kJ/m3；第二代永磁材料是 2：17 型 SmCo 合金，即 Sm2Co17，磁能積大約 300 kJ/m3；1983 年日本(r bn)和美國(guó)發(fā)現(xiàn)了釹鐵硼合金，也就是 Nd2Fe14B 合金，其磁能積約為 400 kJ/m3490 kJ/m3，理論值可達(dá)到 640 kJ/m3，稱(chēng)之為第三代

2、稀土永磁材料；隨著研究的不斷深入，釹鐵硼磁性性能不斷改善。第1頁(yè)/共19頁(yè)第一頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-212釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)(shngchn)(shngchn)發(fā)展發(fā)展與應(yīng)用與應(yīng)用 全球釹鐵硼產(chǎn)量在過(guò)去(guq)近三十年中取得了快速增長(zhǎng)，由 1983 年的不足 1 噸增加到 2010 年的 13.43萬(wàn)噸，其中我國(guó)的產(chǎn)量達(dá) 10.8 萬(wàn)噸，占全球釹鐵硼總產(chǎn)量的 80%。燒結(jié)釹鐵硼磁體產(chǎn)量由 2001 年的1.25 萬(wàn)噸，增加到 2010 年的 12 萬(wàn)噸，約占釹鐵硼總產(chǎn)量 90%，并在過(guò)去(guq)十年間保持年均 26.5%的速率快速增長(zhǎng)。與燒結(jié)釹鐵硼相比，粘結(jié)釹鐵硼規(guī)

3、模小很多，但也一直保持較好的發(fā)展勢(shì)頭，20012010 年間全球粘結(jié)釹鐵硼磁體產(chǎn)量以年均 8%的速率增長(zhǎng)，2010 年產(chǎn)量達(dá) 1.43 萬(wàn)噸，其中我國(guó)產(chǎn)量達(dá)到 1 萬(wàn)噸，占全球粘結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量的近 70%，并以年均近 30%的速率高速增長(zhǎng)。第2頁(yè)/共19頁(yè)第二頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-213釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)(shngchn)(shngchn)發(fā)發(fā)展與應(yīng)用展與應(yīng)用 釹鐵硼磁體由于其本身的優(yōu)異磁性能和良好的性能價(jià)格比廣泛應(yīng)用于微波通訊、音像、儀器儀表、電機(jī)工程、計(jì)算機(jī)、磁分離、磁療等領(lǐng)域。信息技術(shù)方面(fngmin)，硬、軟磁盤(pán)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)頭是釹鐵硼磁體材料；醫(yī)療器

4、械方面(fngmin)，核磁共振成像儀已成為各大醫(yī)院必須配備的醫(yī)療器械，每臺(tái)核磁共振成像儀需要釹鐵硼磁體 0.5 噸；機(jī)床工業(yè)方面(fngmin)，NC機(jī)床 80%采用直流釹鐵硼永磁電機(jī)控制；日常生活方面(fngmin)，汽車(chē)防霧尾燈、磁卡門(mén)鎖，禮品盒開(kāi)關(guān)是釹鐵硼永磁材料等。第3頁(yè)/共19頁(yè)第三頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-214釹鐵硼永磁材料釹鐵硼永磁材料(cilio)(cilio)制備技術(shù)制備技術(shù) 釹鐵硼永磁材料可分為燒結(jié)釹鐵硼、粘結(jié)(zhn ji)釹鐵硼和注塑釹鐵硼。燒結(jié)釹鐵硼磁性能較好，但生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，成本也較高。粘結(jié)(zhn ji)釹鐵硼磁體，雖因粘結(jié)(zhn ji)劑的加入使得磁性

5、能降低，但其具有易批量生產(chǎn)、制造尺寸精確、形狀復(fù)雜、密度小、磁性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在電子和醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。注塑釹鐵硼有極高的尺寸精確度，容易制成各向異性、形狀復(fù)雜的薄壁環(huán)或薄磁體。第4頁(yè)/共19頁(yè)第四頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-215燒結(jié)釹鐵硼永磁材料制備燒結(jié)釹鐵硼永磁材料制備(zhbi)(zhbi)技術(shù)技術(shù) 燒結(jié)釹鐵硼磁體(ct)用粉末冶金方法制造。燒結(jié)Nd-Fe-B系永磁材料的磁性能主要由 Nd2Fe14B基體相來(lái)決定的。Nd2Fe14B相的化學(xué)成分決定了磁極化強(qiáng)度Js和各向異性場(chǎng)HA。剩磁Br、矯頑力Hcb和磁能積(BH)max由成分和組織結(jié)構(gòu)決定。燒結(jié)釹鐵硼永磁材料(cilio)制作

6、流程第5頁(yè)/共19頁(yè)第五頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-216合金合金(hjn)(hjn)鑄造鑄造- -平板鑄造平板鑄造 合金鑄造技術(shù)是制備高性能燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的關(guān)鍵工藝。高性能磁體制造，Nd-Fe-B合金鑄錠微觀組織應(yīng)該(ynggi)具有柱狀晶完整，沒(méi)有-Fe偏析相，富釹相彌散分布的特點(diǎn)。常用的鑄造方法有平板鑄造、柱狀鑄造、薄板鑄造。平板鑄造模結(jié)構(gòu)圖1-金屬液，2-冷卻(lngqu)銅模，3-冷卻(lngqu)水 平板鑄造是生產(chǎn)欽鐵硼最初采用的方法。它是通過(guò)將合金熔液澆鑄在底部水冷的平板狀銅錠模內(nèi),得到厚為30-50mm的板狀鑄錠。由于平板鑄造為單面冷卻，冷速較低，因此-Fe較多(由SE

7、M圖可知),非冷卻面處柱狀晶不完整,偏析較嚴(yán)重,對(duì)應(yīng)的磁能積在240-280KJ/m3左右。平板鑄造SEM圖灰色-主相，白色-富釹相，黑色-Fe第6頁(yè)/共19頁(yè)第六頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-217合金合金(hjn)(hjn)鑄造鑄造- -柱狀鑄造柱狀鑄造 柱狀鑄造是現(xiàn)在采用較廣泛的鑄造工藝之一，將Nd-Fe-B合金熔液澆鑄在柱狀(圓柱或長(zhǎng)方柱)銅錠模內(nèi)，錠模底部和四周都有水冷，得到圓柱形直徑約100mm的鑄錠。由于冷速提高,可以形成完整的柱狀品，但依然有較多-Fe存在。主相晶粒度為50-80m，而-Fe呈彌散分布，枝晶也有幾個(gè)微米尺度，對(duì)應(yīng)(duyng)的磁能積在280-300KJ/m3左右

8、。柱狀鑄造(zhzo)SEM圖灰色-主相，白色-富釹相，黑色-Fe柱狀鑄造模結(jié)構(gòu)圖1-金屬液，2-冷卻銅模，3-冷卻水第7頁(yè)/共19頁(yè)第七頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-218合金鑄造合金鑄造(zhzo)-(zhzo)-薄板鑄造薄板鑄造(zhzo)(zhzo) 柱狀鑄造是現(xiàn)在采用較廣泛的鑄造工藝之一，將Nd-Fe-B合金熔液澆鑄在柱狀(圓柱或長(zhǎng)方柱)銅錠模內(nèi)，錠模底部和四周都有水冷，得到圓柱形直徑約100mm的鑄錠。由于冷速提高,可以形成完整的柱狀品，但依然有較多-Fe存在(cnzi)。主相晶粒度為50-80m，而-Fe呈彌散分布，枝晶也有幾個(gè)微米尺度，對(duì)應(yīng)的磁能積在280-300KJ/m3左右。

9、薄板鑄造SEM圖灰色(hus)-主相，白色-富釹相，黑色-Fe薄板鑄造模結(jié)構(gòu)圖1-金屬液，2-冷卻銅模，3、4-冷卻水第8頁(yè)/共19頁(yè)第八頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-219合金合金(hjn)(hjn)鑄造新工藝鑄造新工藝- -薄片鑄造法薄片鑄造法 薄片鑄錠法是目前最成功的鑄造方法。其工藝是將熔融的液體倒或噴出在旋轉(zhuǎn)的水冷金屬輥表面，然后甩出，得到厚度為0.3 mm左右的薄片鑄錠。鑄片比常規(guī)鑄塊的凝固速率快，抑止了-Fe枝狀晶的生成；鑄片的粉碎性很好。主相晶粒中間的富Nd相薄層，確保了在氫爆碎和氣流磨制粉后形成取向(q xin)排列的單晶粉末，提高磁體的剩磁；鑄片中富Nd相的分散性好，有利于在較

10、低燒結(jié)溫度下得到高性能磁體等。薄片(bo pin)鑄造示意圖薄片鑄造SEM圖灰色-主相，白色-富釹相，黑色-Fe第9頁(yè)/共19頁(yè)第九頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2110合金合金(hjn)(hjn)制粉制粉 制粉目的是將大塊合金錠破碎成一定尺寸的粉末。包括粗破和磨粉兩個(gè)工藝過(guò)程。粗破碎方法有兩種：一種(y zhn)是氫爆碎(HD)，另一種(y zhn)是機(jī)械破碎。將粗破后的246m-175m (60-80目)的中等粉末研磨至3-5m細(xì)粉，該種磁粉絕大多數(shù)為單晶體。磨粉一般采用球磨制粉或氣流磨制粉兩種方法。球磨制粉有滾動(dòng)球磨、振動(dòng)磨、高能球磨等。晶粒尺寸的減小，矯頑力大幅度增加,剩磁增強(qiáng)，晶粒尺寸

11、在3-5m時(shí)釹鐵硼磁體(ct)的磁性能達(dá)到最大值。第10頁(yè)/共19頁(yè)第十頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2111合金合金(hjn)(hjn)制粉制粉- -氫爆碎氫爆碎 氫爆碎是釹鐵硼合金在吸氫過(guò)程中各相膨脹系數(shù)不同、膨脹量不同使得(sh de)氫化物生成時(shí)晶格間產(chǎn)生微裂紋而導(dǎo)致合金破裂和粉化；NdFeB 的吸氫可分為兩步，首先吸氫的是露在表面的富 Nd 相，2Nd+2/x H22NdHx；其次是主相 Nd2Fe14B吸氫，2Nd2Fe14B+yH22Nd2Fe14BHy。當(dāng)氫化物 NdH2.7由面心立方變到六方晶型，晶格常數(shù)變大，體積膨脹 20%。氫化物Nd2Fe14BH5晶格也變大，相應(yīng)體積膨脹

12、了 4.55.0%。氫爆碎進(jìn)料尺寸為0.1-100mm，出料尺寸為10-1000m。氫爆碎原理圖氫爆碎裝置(zhungzh)爆碎主體第11頁(yè)/共19頁(yè)第十一頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2112合金合金(hjn)(hjn)制粉制粉- -氣流磨制粉氣流磨制粉 流化床氣流磨的基本原理是通過(guò)在平面或空間呈一定角度分布的一組噴嘴噴出的高速(o s)氣流使顆粒流態(tài)化，并攜帶顆粒到氣流匯聚點(diǎn)發(fā)生劇烈碰撞和摩擦而粉碎。經(jīng)過(guò)氣流磨制粉粒徑平均在3m左右。粉碎室物料通過(guò)翻板閥 1 進(jìn)入料倉(cāng) 2，由螺桿輸送器 3將物料送入粉碎室 4。氣流通過(guò)噴嘴 5 進(jìn)入流化床，顆粒在高速?lài)娚錃饬鹘稽c(diǎn)碰撞，該點(diǎn)位于化床中心，是靠氣

13、流對(duì)顆粒的高速?zèng)_擊及粒子間的相互碰撞而使顆粒粉碎。進(jìn)入粉碎腔內(nèi)的物料利用數(shù)個(gè)噴嘴噴匯產(chǎn)生的氣流沖擊能，及其氣流膨脹成流態(tài)化床懸浮翻騰而產(chǎn)生碰撞、摩擦進(jìn)行粉碎，并在負(fù)壓氣流帶動(dòng)下通過(guò)頂部設(shè)置的渦輪式分級(jí)裝置 8，然后細(xì)粉排列出口(ch ku) 9 外由旋風(fēng)分離器及袋式收塵器捕集，粗粉受重力沉降返回粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎。圖為德國(guó)Alpine公司研制的流化床對(duì)撞式氣流粉碎機(jī)第12頁(yè)/共19頁(yè)第十二頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2113取向取向(q xin)(q xin)成型成型 磁場(chǎng)(cchng)取向成型是永磁產(chǎn)品生產(chǎn)的一道重要工序，稀土永磁體取向壓制成型需要取向磁場(chǎng)(cchng)在1194kA/m以上，取

14、向壓制成型設(shè)備中均采用電磁鐵提供取向磁場(chǎng)(cchng)和退磁磁場(chǎng)(cchng)。燒結(jié)Nd-Fe-B系永磁體的磁性能主要來(lái)源于具有四方結(jié)構(gòu)的 NdFeB基體相，它是單軸各向異性晶體，c軸為易磁化軸，a 軸為難磁化軸。對(duì)于單晶體來(lái)說(shuō)，當(dāng)沿其易磁化軸磁化時(shí)，有最大的剩磁Br=0Ms。如果燒結(jié)永磁體的各個(gè)粉末顆粒的c軸是混亂取向的，則得到的是各向同性磁體，Br=0Ms/2=Js/2，這是最低的。如果使每一個(gè)粉末顆粒的易磁化方向(c軸)沿相同方向取向，制成各向異性磁體，則沿粉末顆粒 c 軸取向的方向有最大的剩磁。 粉末的磁場(chǎng)取向(q xin)有兩種方向：平行取向(q xin)與垂直取向(q xin)。粉

15、末壓形有兩個(gè)目的：(1)將粉末壓制成一定的形狀與尺寸的壓坯；(2)保持在磁場(chǎng)取向(q xin)中所獲得的晶體取向(q xin)度。目前，普遍采用的壓形方法有三種，即模壓法、模壓加冷等靜壓、橡皮模壓。最好的方式是垂直取向(q xin)的模壓加冷等靜壓。a-平行取向 ，b垂直取向第13頁(yè)/共19頁(yè)第十三頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2114燒結(jié)燒結(jié)(shoji)(shoji)與回火與回火 壓型只能使樣品的相對(duì)密度達(dá)到60-85%，其內(nèi)部還有相當(dāng)多的空隙，機(jī)械(jxi)強(qiáng)度很低，磁性也不高。經(jīng)過(guò)燒結(jié)，由于原子擴(kuò)散，粉末顆?；ハ嗳诤隙纬烧w，這使樣品的相對(duì)密度提高到94-98%，機(jī)械(jxi)強(qiáng)度增加

16、，同時(shí)，磁性能（剩磁、矯頑力、磁能積）都大為提高。Nd-Fe-B粉末燒結(jié)溫度約(0.70-0.85)T熔。采用真空氣淬燒結(jié)爐燒結(jié)，先抽真空至10-2Pa時(shí)開(kāi)始加熱,待真空度重新達(dá)到10-2Pa后再充氬氣燒結(jié)。一般(ybn)燒結(jié)工藝溫度控制 為了進(jìn)一步提高Nd-Fe-B磁體的磁性能，燒結(jié)后的磁體應(yīng)在氬氣保護(hù)下，在500-900溫度范圍內(nèi)進(jìn)行一次、二次回火處理?；鼗鹛幚砗?磁體的顯微組織得到明顯的改善，主相體積分?jǐn)?shù)增加，晶界變得清晰,晶粒尺寸趨向均勻；顆粒狀富Nd相減少，富Nd相沿晶界均勻分布，成分趨于共晶富Nd相的成分；磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積都得到提高,最大磁能積普遍提高20-30 kJ

17、/m3。一次回火二次回火回火前SEM圖(灰色-主相，白色-富釹相)回火后SEM圖第14頁(yè)/共19頁(yè)第十四頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2115燒結(jié)燒結(jié)(shoji)(shoji)物相物相 Nd-Fe-B燒結(jié)溫度一般在1050-1070(Nd2Fe14B)，由于富釹相(Nd-Fe)熔點(diǎn)在650-700，燒結(jié)過(guò)程中變成液相。主相(Nd2Fe14B)和富硼相(Nd1.1Fe4B4)熔點(diǎn)較高，通常在1200以上，因此富釹相會(huì)包裹在主相外層。富釹相包裹的形態(tài)主要有三種：鑲嵌在主相晶粒上連續(xù)分布(fnb)在晶界邊界彌散分布(fnb)在主相晶粒內(nèi)部。富釹相的主要作用是促進(jìn)燒結(jié)使磁體致密化及提高矯頑力。 主相(

18、Nd2Fe14B)是合金熔煉過(guò)程中在1200發(fā)生包晶反應(yīng)形成的，是釹鐵硼永磁材料中唯一的鐵磁相，其體積(tj)分?jǐn)?shù)決定了Nd-Fe-B系永磁合金的Br和(BH)max，在燒結(jié)過(guò)程中該物相不發(fā)生變化。富硼相(Nd1.1Fe4B4)是熔煉過(guò)程中成分偏析(硼含量過(guò)高)造成的，燒結(jié)過(guò)程中大部分富硼相以多邊形顆粒分布于晶界交隅處或在主相晶界上，個(gè)別顆粒分布在主相晶粒內(nèi)部。富硼相對(duì)磁性能無(wú)益，因此要盡可能減小其體積(tj)分?jǐn)?shù)。釹鐵硼顯微組織結(jié)構(gòu)示意圖第15頁(yè)/共19頁(yè)第十五頁(yè)，共19頁(yè)。2022-5-2116表面表面(biomin)(biomin)處理處理電鍍電泳。鍍層有 Zn、Ni、Cu、Cr、Sn、Au、Ag，目前廣泛采用的有電鍍鋅、Ni-Cu-Ni、