毕业设计（论文）-烧结法制造NdFeB的新工艺新技术.doc

宜宾职业技术学院宜宾职业技术学院 毕业论毕业论文文 题目题目：烧结法制造：烧结法制造 NdFeB 的新工艺新技术的新工艺新技术 系 部 现代制造工程系 专 业 名 称 材料工程技术 班 级 姓 名 学 号 指 导 教 师 2011 年 9 月 16 日 宜宾职业技术学院 毕业论文选题报告 姓名男学号200911939系部制造专业磁性材料 论文题目 烧结法制造 NdFeB 的新工艺新技术 课题来源教学课题类别论文 选做本课题的原因及条件分析： 中国发展钕铁硼永磁材料产业的突出优势是稀土资源丰富，世界上 80%的稀土资源在中国 的领土。中国稀土资源的优势为发展钕铁硼永磁材料产业提供了极为有利的条件，钕铁硼永 磁材料 2000 年产量已超过日本位列全球首位。但就整体生产工艺、技术装备与国际先进比较 还有一定的差距。目前针对烧结钕铁硼制造工艺，对粉体制备、液压成型、真空烧结等工序 的工艺技术进行探讨，希望进一步提高烧结钕铁硼磁性能。 应用所学烧结法制造钕铁硼的工艺技术，参考了有关文献资料，在导师的辅导下能够完 成本课题，特申请开题。 内容和要求 内容：1、浅谈烧结钕铁硼的基本制备工艺流程及特点 2、烧结钕铁硼的氢爆、气流磨制粉工艺 3、烧结钕铁硼的湿压成型工艺 4、结论 要求：1、论文格式规范 2、力求采用数据、图、表分析与文字表达相结合，做到图文并茂 3、语言表达准确，概念清楚，论点正确 指导 教师 意见 （签章） 年 月 日 系部毕业论文领导小组意见： （签章） 年 月 日 宜宾职业技术学院 毕业论文成绩评定表（一） 学生学号 200911939 学生姓名葛青健 题目烧结法制造 NdFeB 的新工艺新技术 指导教师 评语 指导教师 评定成绩 总分总分30% 指导教师签字 年 月 日 评阅教师 评语 评阅教师评 定成绩 总分总分30% 评阅教师签字 年 月 日 宜宾职业技术学院 毕业论文成绩评定表（二） 学生学号 200911939 学生姓名葛青健 题 目烧结法制造 NdFeB 的新工艺新技术 姓名任新民张云程陈华容王自敏谢瑞兵 答辩小组 成员 职称高级工程师高级工程师副教授副教授工程师 评价内容具 体 要 求分值评分 报告内容 思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分 析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。 40 答 辩回答问题有理论根据，基本概念清楚。主要问题回答准确、有深度。30 创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10 综合素质 能合理运用挂图、幻灯、投影或计算机多媒体等辅助手段，用普通话 答辩。 10 报告时间符合要求。10 总分40% 总分 答辩小组评语： 答辩小组组长签字： 年 月 日 指导教师评定成绩 评阅教师评定成绩 答辩成绩 毕业论文综合成绩百分制五级制 毕业论文答辩委员 会 审定意见 主任签字 年 月 日 学院意见年 月 日 宜宾职业技术学院 毕业论文答辩记录表 学生姓名学生姓名葛青健学生学号200911939 题题 目目烧结法制造 NdFeB 的新工艺新技术 答辩小组成员答辩小组成员 姓姓 名名职称职称工作单位工作单位备注备注 任新民高级工程师宜宾职业技术学院 张云程高级工程师宜宾职业技术学院 陈华容副教授宜宾职业技术学院 王自敏副教授宜宾职业技术学院 谢瑞兵工程师宜宾职业技术学院 答辩中提出的主要问题及学生回答问题的简要情况： 答辩小组代表签字： 年 月 日 I 摘摘 要要 烧结钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，自上世纪 80 年代开发、生产应用以 来，以其高的电磁性能、高的性价比得到迅猛发展。但是烧结钕铁硼中金属元 素极易被氧化，使电磁性能提高和进一步推广发展受到影响。因此研究制造的 新工艺、新技术很有必要。 目前针对烧结钕铁硼传统制造工艺，对粉体制备、液压成型、真空烧结等 工序的工艺技术进行探讨。文章着重探讨制粉和成型工艺，把传统的球磨制粉 改为氢爆、气流磨制粉；把传统的干压磁场成型改为湿压磁场定向成型。至今 为止国内采用干压磁场成型。国际上，已经开始研究湿压磁场定向成型，防止 生产工艺制造中氧化，从而提高电磁性能和它的防腐抗氧化能力。烧结钕铁硼 新技术、新工艺通过制造工艺技术上氧含量的控制，来控制相变的发生。由于 新工艺、新技术中氧含量得到了有效的控制，使烧结钕铁硼的电磁性能获得了 质的飞跃。 关键词关键词：烧结钕铁硼；氢爆；气流磨；湿压成型 II ABSTRACT As the third generation sintering ndfeb rare earth permanent magnet materials, since the 1980 s, the development, the production and application, with its high since the electromagnetic performance, high cost performance of rapid development. But in sintering ndfeb metal elements can be oxidation and make the electromagnetic increased performance and further promote the development affected. So the manufacturing of new technology, new technology is necessary. And for the sintering process, traditional manufacturing nd-fe-b to powder preparation, hydraulic pressure molding, vacuum sintering process technology are discussed. This paper tries to explore the powder and forming technology, the traditional ball mill powder to hydrogen burst and airflow mill powder; The traditional dry pressing molding to wet pressure magnetic field field oriented to shape. So far the dry pressing domestic magnetic field to shape. International, have been studying wet pressure field oriented, prevent production process manufacturing molding of oxidation, so as to improve performance and its anticorrosion electromagnetic antioxidant capacity. Sintering ndfeb new technology, new technology through the manufacturing process technology oxygen content of the control, to control the occurrence of phase change. Because of new technology, new technology oxygen content in got effective control, make the sintering summary of electromagnetic performance gain a qualitative leap. Key words:Sintering ndfeb; Hydrogen explosion; Jet mill; Wet pressure molding III 目目 录录 绪绪 论论.1 1 烧结 NdFeB 制造基本工艺原理.2 1.1 烧结钕铁硼传统制造工艺流程.2 1.3 真空感应熔炼.4 1.4 球磨制粉.5 1.5 干压磁场定向成型.5 1.6 烧结和热处理.6 2 烧结 NdFeB 制造新工艺.8 2.1 氢爆处理原理.8 2.2 氢爆处理过程.8 2.3 气流磨制粉原理.10 2.4 气流磨制粉过程.11 2.5 湿压磁场定向成型.12 结 论.15 致 谢.16 参考文献.17 1 绪绪 论论 20 世纪 60 年代末稀土永磁材料问世以来，稀土永磁材料从第一代钐钴金 属永磁到第三代钕铁硼金属永磁都得到迅速发展。钕铁硼金属永磁材料电磁性 能明显高于第一和第二代金属永磁材料，钕铁硼金属永磁材料中的金属元素遇 到潮湿空气极易被氧化，想要获得高电磁性的钕铁硼，不但要控制稀土元素的 含量、复合添加等，而且对整个工序工艺过程都需要通过严格计算和思考。 经过 20 多年的发展，烧结钕铁硼传统工艺逐渐被新工艺、新技术所取代。 传统工艺熔炼、球磨制粉、干压磁场定向成型、真空烧结和热处理都缺少对氧 含量的控制。球磨制粉和干压磁场定向成型是制造工艺重要之一。所以，烧结 钕铁硼新工艺、新技术从制粉和成型工艺上来探讨。传统球磨制粉产用汽油混 合制粉，汽油混磨导致烧结钕铁硼杂质的增多。所以，烧结钕铁硼产用氢爆和 气流磨制粉，不但有效防止杂质的引入，而且减少烧结时有机溶剂的分离。干 压磁场定向成型密度低、取向度差，并且粉末的流动性差，接触面积较低。要 得到高性能烧结钕铁硼材料，把传统的干压磁场定向成型改为湿压磁场定向成 型。湿压磁场定向成型加强了成型密度和取向度，减少了粉末长时间暴露在空 气中的时间，更减少了粉末氧化程度。 烧结钕铁硼新工艺、新技术就是把传统球磨制粉和干压磁场定向成型改变 为氢爆、气流磨和湿压磁场定向成型。国内金属永磁材料成型目前都在采用干 压磁场定向成型，国际上金属永磁材料成型方式首先出现了湿压磁场定向成型。 2 1 烧结烧结 NdFeB 制造基本工艺原理制造基本工艺原理 1.1 烧结钕铁硼传统制造工艺流程烧结钕铁硼传统制造工艺流程 烧结钕铁硼制造基本工艺包括熔炼、制粉、成型、烧结和时效处理。其中 制粉主要是球磨机内加入有机助剂来完成制粉。国内产用传统的干压磁场定向 成型。烧结钕铁硼永磁材料工艺流程如图 1-1 所示。 图图 1-1 烧结烧结 NdFeB 传统制造工艺流程传统制造工艺流程 1.2 烧结钕铁硼合金的成分烧结钕铁硼合金的成分 NdFeB 是以 Nd2Fe14B 化合物为基，并富 Nd 和 B（Nd2Fe14B 化合物一个单 胞的晶体） 。单胞由 4 个 Nd2Fe14B 分子组成，有 68 个原子，其中有 8 个 Nd 原 子，56 个 Fe 原子，4 个 B 原子。它们构成四方结构（四方晶系） 。类金属 B 等 元素的加入对四方相 Nd2Fe14B 形成起了决定性的作用。 Fe 含量对合金磁性能的影响示于图 1-2，可见，应尽可能提高 Fe 含量，并 使合金成分尽量向 Nd2Fe14B 四方相靠近，才能获得高磁能积合金（图 1-2） 。 例如：Nd12.4Fe81.6B6合金的磁性能可达：Br=1.48T（14.8kGs） ， Hcb=684.6kA/m（8.6kOe） ， （BH）m=407.56kJ/m3（51.2MGOe） ，它的 Nd、B 含量分别比四方相高 0.64at%Nd 和 0.02at%B。制造这种高磁能积的材料，除成 分尽可能接近 Nd2Fe14B 四方相外，还要求原材料的纯度高。采用低氧工艺，使 氧含量低于 1500PPm，而非磁性相的体积百分比控制在 1.0%以下，密度和取向 3 度尽可能高。 图图 1-2 Nd 含量对烧结含量对烧结 NdFeB 永磁合金性能影响永磁合金性能影响 图图 1-3 Fe 含量对烧结含量对烧结 NdFeB 永磁合金性能的影响永磁合金性能的影响 从图 1-4 中看出 Nd2Fe14B 相为主体相，形成主相前应该控制 -Fe 析出。- Fe 的析出不仅夺取了主相铁，从而使主相大为减少，而且使磁体性能大大减少。 Nd2Fe14B 是包晶反映的产物，它不是固液同成分凝固形成的，所以凝固时首先 从液相析出的必然是 -Fe。要想消除 -Fe 最有效的办法就是提高 NdFeB 合金 从液态冷凝的速率，即采用速凝工艺消除 -Fe。 NdFeB 系永磁合金的成分一般位于靠近 Nd2Fe14B 化合物附近的三角区内， 室温下由 Nd2Fe14B 相、少量的富钕相和富硼相 3 个相组成. 烧结钕铁硼系永磁 合金显微结构组织具有如下特征：1）基体相 Nd2Fe14B 的大块状晶粒呈多边形； 2）富硼相以孤立状态或颗粒状存在；3）富钕相沿晶界或者晶界交隅处分步， 也有的以颗粒状存在；4）在某些烧结 NdFeB 合金的显微组织中还可以观察到 4 钕的氧化物 Nd2O3、-Fe 相、外来掺杂物和空洞等。 (a) (b) 图图 1-4 Nd2Fe14B 相简单图相简单图 烧结 NdFeB 系永磁材料中，基体是 Nd2Fe14B（T1 相)是唯一的铁磁性相， 她的体积分数决定了合金的 Br 和(BH)m。在 NdFeB 系永磁合金中，富硼相数 量介于 00.8%之间，它在 NdFeB 中起到磁稀释作用，希望它的体积分数越小 越好。富钕相对烧结 NdFeB 合金的磁硬化起着重要作用。 1.3 真空感应熔炼真空感应熔炼 真空感应熔炼炉是利用电磁感应在金属炉料内产生涡电流，从而加热炉热 并获得足够高的温度，使炉内多种金属或合金原料熔化，在熔融状态下通过原 子扩散形成所需合金的过程。由于真空感应熔炼炉的合金纯净度高，合金成分 控制准确，因而能保证合金的性能、质量及其稳定性。作为合金化的基本手段， 这一技术无法被其他技术所取代。 真空感应熔炼时，由于熔池表面低压条件和电磁搅拌作用，均有利于非金 属夹杂物上浮，在熔池表面形成一层氧化膜。如果这些氧化膜混入合金中，势 必影响产品质量。稀土永磁合金真空熔炼遇到的最大问题是如何防止夹杂物沾 污。合金中夹杂物的去除，主要是通过夹杂物的分解、低价氧化物挥发和碳与 氧的结合（生成 CO）等途径实现的。在熔融温度下，系统中 O2和 N2的分压值 约 13.3Pa，远远大于该温度夹杂物的分解压，即夹杂物处于稳定存在条件下， 难以分解除去，因此合金中夹杂物只能通过减少污染源的方法进行控制。 1.4 球磨制粉球磨制粉 制粉包括粗破碎和磨粉两个过程，首先应该清除铸锭表面的氧化皮，然后 5 再进行粗破碎。球磨的介质用 120航空汽油，球磨罐用不锈钢罐，所使用的 球体是钢球，直径有 4 种，分别是 2mm、5mm、8mm 和 10mm，每一种 钢球的重量一致。当铸锭破碎至约 20mm 左右时采用氢破碎的方法，以提高其 碎性，使球磨易于进行。磨制细粉包括球磨和气流磨两种方法。其中气流磨是 利用在超音速的气流推动下粉末之间相互碰撞而进一步细化。与此不同的是， 球磨是利用钢（或其他）球来将粗粉砸成更细的粉末。球磨制粉包括滚动球磨、 震动球磨和高能球磨等方法。震动球磨的粉末颗粒形状不规则，不利于磁场取 向。高能球磨的粉末颗粒粒度过于分散，同样不利于磁体性能的提高。滚动球 磨可以较好地避免上述缺陷。 制粉目的是将大块合金锭破碎成一定尺寸的粉末。包括粗破和磨粉两个工 艺过程。粗破碎方法有两种：一种是氢破碎(HD)，另一种是机械破碎。将粗破 后的 246m175m(6080 目)的中等粉末研磨至 34m 细粉，该种磁粉绝大 多数为单晶体。一般采用球磨制粉或气流磨制粉两种方法。气流磨制粉是利用 气流将粉末颗粒加速到超音速，使之相互对撞而破碎。目前生产规模较小的厂 家用滚动球磨，多数 NdFeB 生产厂采用气流磨制造磁粉。 1.5 干压磁场定向成型干压磁场定向成型 烧结 NdFeB 永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的 Nd2Fe14B 基体相， 它是单轴各向异性晶体，c 轴为易磁化轴，a 轴为难磁化轴。对于单晶体来说， 当沿其易磁化轴磁化时，有最大的剩磁 Br=Ms。如果烧结永磁体的各个粉末颗 粒的 c 轴是混乱取向的，则得到的是各向同性磁体，Br=Ms/2=Js/2，这是最低 的。如果使每一个粉末颗粒的易磁化方向(c 轴)沿相同方向取向，制成各向异性 磁体，则沿粉末颗粒 c 轴取向的方向有最大的剩磁。在制粉阶段得到的 35m 的粉末颗粒，一般来说它们是单晶体，但不是单畴体，所以粉末颗粒在磁场中 的取向分两个阶段完成。第一阶段是各个粉末颗粒变成单畴体。第二阶段是磁 畴内的磁矩转动过程。 取向度受到多种因素的影响：成分、磁粉粒度分布、模具内取向磁场强度、 成型压力和由烧结引起的晶粒长大。磁粉不能完全取向的因素是磁粉的磁凝聚 阻碍了磁粉的转动。采用适当的品种和数量的润滑剂可以得到接近完全的取向 度。但是，如果磁粉间的磁凝集太小，磁粉没有了摩擦就不能成型，因此，应 6 将磁凝集控制在能诚型的范围内。取向磁场是磁取向的动力，取向度随取向磁 场强度提高而提高。但当取向场达到 796 ka/m 以上时，取向度就很难再提高， 因此，没有必要将取向场提的很高。成型压力是磁粉取向的阻力，成型压力在 4.910Pa 以下时，取向度有很大的变化，压力越大，取向度越低。因此，为了 提高取向度，应在能得到成型体的最低压力限度下进行成型。在烧结过程中有 两个相反的倾向，即由晶粒长大造成的取向度提高和由烧结收缩产生的取向度 下降。在低压力（1.67107Pa）成型的海绵状生坯中，烧结收缩大，因此取向 度下降。但是由于其生坯初始取向度高，因此，烧结后的最终取向度仍然会比 高压力（19.6107Pa）成型的高。 1.6 烧结和热处理烧结和热处理 烧结钕铁硼的烧结是指为了进一步提高磁体的性能和使用性，改进粉末间 的接触性质，提高强度，使磁体具有高性能的显微组织特征，需要将生坯加热 到粉末基体相熔点以下的温度并保温一段时间的工艺。 烧结是极为重要的工艺，所有的生产厂家和广大的研究者都极为重视。 NdFeB 粉末压坯的相对密度一般为 5070，孔隙度一般为 3050， 颗粒间的结合全部都是机械结合，结合的强度极低。如果成型压力非常大时， 已经相互接触的颗粒有的已经产生弹性或者塑性变形，这时样品较为容易裂开， 且其显微组织不足以产生高的磁性能。 在生坯的烧结过程中，将发生一系列的物理化学变化。首先，粉末颗粒表 面吸附的气体（包括水蒸气）排除，有机物（如等静压中可能沾上的油或者添 加的抗氧化剂和润滑剂等）的蒸发与挥发，应力的消除，粉末颗粒表面的氧化 物的还原，变形粉末颗粒的回复和再结晶。其次，原子扩散，物质迁移，颗粒 之间的接触由机械接触改为物理化学接触，形成金属键和共价键的结合。最后， 粉末间的接触面扩大，出现烧结颈，接下来是烧结颈长大，密度提高，晶粒长 大等。粉末生坯的孔隙率大，表面积也大，因此表面能也大，同时还具有晶格 畸变能，使粉末生坯整体上处于高能状态。从能量的角度来看，这是不稳定的， 具有自发地烧结与粘结成一个致密体的倾向和驱动力。因此，在一定温度的条 件下，即动力学允许的情况下，粉末颗粒间的接触将由点到面，以便减少表面 积和表面能。随着颗粒间的接触面的扩大，生坯开始收缩和致密化，最后成为 7 一个烧结体。简言之，烧结就是粉末结合体由生坯变为毛坯的过程。 热处理是指合金在固态范围类加热、保温和冷却，以改变其组织，获得所 要求性能的一种工艺方法。烧结钕铁硼产用的是两级回火处理，回火后其矫顽 力、(BH)m 有大幅度提高。通过两级回火处理可获得高矫顽力的显微组织。因 此控制其制备工艺以获得理想的显微组织就显得十分重要。调整烧结钕铁硼合 金显微组织的重要工艺就是烧结后的回火处理。磁体磁性能随一次回火温度的 变化与显微 表表 1-1 不同一次回火温度回火后磁体磁性能不同一次回火温度回火后磁体磁性能 组织随一次回火温度的变化密切相关。当一次回火温度低于 910时，磁 体磁能积(BH)max、矫顽力 HCJ、剩磁 Br 随温度的升高而增加；当一次回火温 度高于 930时，磁体磁性能随温度升高而降低；一次回火温度在 910930 之间时，磁体磁性能指标均达到最佳值: Br=1.125T，(BH)max=270.972kJ/m3，Hcj=1677.644kA/m 磁体在烧结过程中，晶界处的富 Nd 相以及少量的主相熔化为液相，烧结 后冷却速度较快，共晶反应被抑制，主相无法完全析出，因此主相数量减少， 而且由于冷却速度快，富 Nd 相分布不均，产生大量颗粒团聚。主相数量的减 少和富 Nd 相不能完全沿主相晶界析出导致的磁去耦作用降低，使得烧结态磁 体磁性能不佳。采用二级回火工艺,一级回火的温度为 900,保温 2h 回火以后 自然冷却到 600；保温 1h 后再自然冷却到室温。 8 2 烧结烧结 NdFeB 制造新工艺制造新工艺 2.1 氢爆处理原理氢爆处理原理 HD 本质上是有别于机械破碎的一种破碎物质的物理化学方法，它特别适 用于含稀土的合金或金属间化合物，因为此类材料具有吸氢特性。例如 NdFeB 吸氢后形成氢化物，由于氢化物生成时晶格膨胀，所产生的巨大应力使 NdFeB 晶体内产生许多微裂纹，材料变得疏松乃至成为粗粉末，随后经加热脱氢处理 后，大部分主相氢化物变回原来的 Nd2Fe14B 粗粉，而一部分富 Nd 相氢化物仍 留在物料中。要特别指出的是，借 HD 制出的粗粉不仅仅是由原来铸锭或速凝 铸片(SC)变成的粗粉，其中仍残留一些氢化物，其化学成份和磁性都变了，这 一点在 NdFeB 磁体生产的后续工序中必须充分考虑，并作相应处理。HD 粉碎 法只适用于能氢化的金属或合金的粗破碎，进料尺寸在 10001mm。出粉粒 度约为 101000m，对于储氢合金或 Ni.HM 电池材料所需粉末而言，此粒度 已满足实用要求，但对于钕铁硼磁体的制备来说，粉末粒度应为 0.77m，即 其平均粒度为 34m，则必须进一步细磨才能满足要求。 2.2 氢爆处理过程氢爆处理过程 金属或合金在一定条件下吸氢或脱氢是可逆的，但第一次形成氢化物是有 一定条件和要求的：能渗入金属间化合物的是氢离子而不是氢分子，氢分子的 离解需要一定激活能。此外，金属间化合物(合金)的界面应该是清洁的表面， 氧化层及其它不与氢反应的杂质将会阻碍反应的进行，为此需要进行“活化处理” 从通氢直到吸氢反应开始，这段时间叫孕育期。吸氢是放热反应，伴随发热(氢 化物生成热)，直到吸氢饱和，即氢化物生成的过程。NdFeB 的吸氢可分为两步， 首先吸氢的是露在表面的富 Nd 相，其反应如下： 2Nd+2xH22NdHX(X=2.7) 其次是主相 Nd2Fel4B 与 H2发生反应： 2Nd2Fe14B+yH22Nd2Fe14BHy(y=4.55) 当氢化物 2NdH27由面心立方变到六方晶型，品格常数变大，体积膨胀 20。氢化物 Nd2Fe14BH5晶格也变大，相应体积膨胀了 4.55.0，主相氢化 物的形成伴随着放热反应，此反应的生成热H=-57.2kJmol，总的热量可以使 反应物温度从室温升高到-300。Nd2Fel4BH5的饱和磁化强度为 9 Ms=152Am2/kg(300K)，略有增加，而 Br、Hcj 剧烈下降，变为软磁相。主相氢 化时的晶格变化示于表 2-1。 表表 2-12-1 Nd2Fe14BH5Nd2Fe14BH5 的晶格变化的晶格变化 表表 2-22-2 主相在不同条件下的不同脱氢率主相在不同条件下的不同脱氢率 Nd2Fe14B+2H22NdH2+12Fe+Fe2B(0.1MPa、650) 此种氢化物和 Fe2B 完全变回 Nd2Fe14B 主相，只有在高温下脱氢才能实现： 2NdH2+12Fe+Fe2BNd2Fe14B+2H2(1040) 正如表 2-2 所指出，加热到 1040主相 Nd2Fe14B 中的 H2才能完全排出， 是升温到 650C 时，富 Nd 相已变软熔化，晶间的脆裂现象可能改变，若再继 续升温，则必将发生 HDDR 反应，显然走上氢化反应的另一方向。基于 NdFeB 与氢反应的上述特性，现在采用的最佳脱氢温度是 500。在此条件下，主相 氢化物的氢基本放出，富钕相氢化物 NdH3在 500脱了部分氢变成 NdH2。这 一部分氢化物的脱氢需留在真空烧结时才能进行。 10 图图 2-1 氢爆碎炉反应罐结构氢爆碎炉反应罐结构 HD 制粉可有效降低磨粉工段的氧化程度，粉末氧含量降低。烧结过程中 有氢存在，可还原钕的氧化物，净化晶界，并促进致密化，实现部分活化烧结。 HD 破碎是优先沿富 Nd 晶界相或主相 Nd2Fe14B 内的富 Nd 超结构层进行，则 HD+JM 粉粒均是单晶颗粒，其尺寸接近最佳粒径 23um，更为重要的是每颗晶 粒边沿均有富钕相，矫顽力可以提高 40400kAm(5005000Oe)。 HD 处理结束后，将反应罐垂直放立，罐内所有的合金料将通过漏斗及阀 M 门顺利注入集料罐，既安全又无任何泄漏，显然用此套装置不仅易于实现低 氧工艺的各项要求，而且更安全、有效。 2.3 气流磨制粉原理气流磨制粉原理 NdFeB 永磁合金普遍采用气流磨制粉。喂入磨内的物料利用三维设置的数 个喷嘴喷汇的气流冲击能，及其气流膨胀呈流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、摩 擦进行粉碎，并在上升气流带动下通过顶部设置的涡轮分级装置，细粉排出机 外分离和回收，粗粉受重力沉降返回粉碎区继续粉碎。 假定两个质量为 m 的球形颗粒，利用高速气流将其加速，并沿同一直线的 相对方向运动，如两球相撞时速度均为 V=1.5Vc 此时两球具有相同的能量 E=1/2mv2+d2方式：m= NdFeB 原始粉末颗粒的质量；d=NdFeB 原始粉末颗 粒的直径；r表面能密度；Vc声速，在空气中 16，Vc=340m/s，由此可以 估算颗粒碰撞前后的能量变化。 一个金属的表面能密度在 1.12.8J/m2 ，它取决于金属内部原子间的健合性 质，与金属熔点相关。两个粉末颗粒相撞下，使颗粒粉碎成更小的粉末。两颗 粒对撞时，其动能仅有很小的一部分转化为表面能，一部分消耗于颗粒的碎裂， 大部分则转变为声能，热能和晶格畸变能量。气流磨由粉碎机和分级机组合成 闭路粉碎系统。闭路粉碎系统时，由于粗粉返回，使粉碎机给料量加大，粗料 含量增大，提高了粉碎效应。理论分析表明，要得到高精度分级，必须使涡流 的风量、转速值足够大，同时必须减少涡流半径及长度，增加叶片数量，减少 叶片厚度。 2.4 气流磨制粉过程气流磨制粉过程 制备高性能磁体除高饱和磁化强度(Ms)外，另一关键是如何保持高矫顽力 11 (Hcj)，对此进行了广泛而深入的研究，发现主要应控制磁体的微观结构，使烧 结磁体的晶粒微细，且尺寸均匀，这就要求磁粉极微细，而且粒度分布不能太 分散，必须高度集中。 日本 NEOMAX 的金子裕治得出结论：磁粉粒度应在 0.77m，平均粒度 低于 3um，烧结后的磁体晶粒细小、尺寸均匀(4.86.0n)。将晶粒微细而均匀 的要求前移到制粉阶段，则磁粉平均粒度应约为 3m，粒度分布曲线应很集中、 尖锐，不能过于分散。研究表明删，新工艺所制磁粉的粒度分布窄(0.77m)， 而传统工艺所制磁粉的粒度分布很宽。这里提到的新工艺磁粉，制备时应用了 SC+HD+JM 组合技术，实践表明，采用铸片(SC)代替铸锭，除有效消除 -Fe 外， 用 HD+JM 制粉效率高，易于获得 34m 的微粉。铸片合金与传统铸造合金用 气流磨粉碎，两者粉碎效率的对比示于图 2-2。 图图 2-2 图 2-2 的纵轴是平均粒度(m)，横轴是喂料速度(kg/h)。若以铸造合金为原 料，当预破碎的铸锭尺寸超限而喂料速度过快时，则磁粉粒度变得粗大，如图 中虚线所示。另一方面，若采用铸片合金，尽管喂料速度由 20kg/h 增至 40kg/h，磁粉粒度仍保持在 3m 范围内，如图中实线所示。由图可见，若用铸 锭为原料，则喂料应极为缓慢，否则磨出的粉粒度变粗。气流磨更适于铸片， 磨粉效率极高，在高喂料速度下，仍得到细粉。 NdFeB 磁粉产用高纯度 N2（N2含量大于 99.99%）作粉碎气流，压缩机将 气体加压至 0.60.7MPa，经冷却器冷却后，进入气流磨的一组喷嘴。压缩气流 通过喷嘴加速成超音速气流，带动物料在喷嘴交汇处对撞，从而使粉末颗粒破 12 碎。由于粉碎过程中压缩气体绝热膨胀产生焦耳，吸收了粉碎物料时产生的大 量热量，从而避免了气流和物料的升温。 图图 2-3 气流磨气流磨 2.5 湿压磁场定向成型湿压磁场定向成型 传统成型方式敢呀磁场成型具有取向度低，密度差的特点，并且金属粉末 长期暴露在空气中，使稀土元素钕易被氧化，破坏相的结构。所以，传统成型 方式，提高烧结钕铁硼磁性能起着阻碍作用。湿压磁场成型抓住了传统成型弱 点，控制氧含量，控制有用相结构，从而提高磁性能。在小型化的应用场合需 要更高性能的钕铁硼烧结磁体。尽量减少非磁性相（稀土氧化物、富硼相等） 、 尽量提高晶粒的定向度、优化合金成分，均是增大 Nd-Fe-B 烧结磁体的（BH） m 的重要途径。尽量减少非磁性相以改进磁性能，需要减少烧结磁体中的氧含 量。为此目的，已经开发出几种不同的粉末冶金工艺。要在化学活性强的而且 13 暴露在空气中的微粉及其压制物防止氧化，用普通方法是很困难的。采用一种 有机溶剂如正己烷的湿法工艺，或采用无氧手套箱的干法工艺，在实验室规模 有可能达到在烧结磁体中含氧量在 0.20%的低含氧量。 我们产用一种湿法工艺日立低氧工艺。采用矿物油作为溶剂，在生产 规模上已经获得氧含量低于 0.2%的钕铁硼烧结磁体。 通过仿照日本日立公司低氧工艺，制备了大致湿压成型过程。 所开发的湿法工艺以普通的粉末冶金工艺为基础，而其特点是从磨粉到烧 结将磨好的粉和压好的坯件保存在油中，将湿法工艺示意图 2-4。铸态合金在 11006h 热处理，然后作氢爆处理并磨至小于 500m。在普通工艺中，为使 细粉表面稳定，防止在空气中急速氧化，磨粉指中氮气的氧含量一般在 1000PPm 左右。 图图 2-4 湿压法流程湿压法流程 可是在湿法工艺中，粗粉在作气流磨时是无氧的（低于检出极限，即 0ppm） 。磨好的粉放入矿物油中，而不暴露在空气中，与油混合成料浆储存备 用。将此料浆模压、定向磁场 14kOe，与压制方向垂直。此矿物油与正己烷之 类的有机溶剂相比，其蒸发速度甚低，故压好的生坯可以在空气中操作。烧结 前将生坯置于 100300温度范围类，10-1托抽真空 1h，将存在于生坯中的矿 物油除去。在