烧结钕铁硼永磁材料制备技术.ppt

烧结钕铁硼永磁材料制备技术 2020 4 19 冶金与环境学院 2020 4 19 1 稀土永磁材料的发展 稀土永磁材料到目前为止已经发展了三代产品 1966年k strnat应用粉末粘结法制作了reco5型合金 该材料具有极高的磁各向异性常数 称为第一代稀土永磁体也即1 5型smco合金 磁能积典型值为200kj m3 第二代永磁材料是2 17型smco合金 即sm2co17 磁能积大约300kj m3 1983年日本和美国发现了钕铁硼合金 也就是nd2fe14b合金 其磁能积约为400kj m3 490kj m3 理论值可达到640kj m3 称之为第三代稀土永磁材料 随着研究的不断深入 钕铁硼磁性性能不断改善 2020 4 19 2 钕铁硼永磁材料生产发展与应用 全球钕铁硼产量在过去近三十年中取得了快速增长 由1983年的不足1吨增加到2010年的13 43万吨 其中我国的产量达10 8万吨 占全球钕铁硼总产量的80 烧结钕铁硼磁体产量由2001年的1 25万吨 增加到2010年的12万吨 约占钕铁硼总产量90 并在过去十年间保持年均26 5 的速率快速增长 与烧结钕铁硼相比 粘结钕铁硼规模小很多 但也一直保持较好的发展势头 2001 2010年间全球粘结钕铁硼磁体产量以年均8 的速率增长 2010年产量达1 43万吨 其中我国产量达到1万吨 占全球粘结钕铁硼产量的近70 并以年均近30 的速率高速增长 2020 4 19 3 钕铁硼永磁材料生产发展与应用 钕铁硼磁体由于其本身的优异磁性能和良好的性能价格比广泛应用于微波通讯 音像 仪器仪表 电机工程 计算机 磁分离 磁疗等领域 信息技术方面 硬 软磁盘 光盘驱动器和打印机驱动头是钕铁硼磁体材料 医疗器械方面 核磁共振成像仪已成为各大医院必须配备的医疗器械 每台核磁共振成像仪需要钕铁硼磁体0 5吨 机床工业方面 nc机床80 采用直流钕铁硼永磁电机控制 日常生活方面 汽车防雾尾灯 磁卡门锁 礼品盒开关是钕铁硼永磁材料等 2020 4 19 4 钕铁硼永磁材料制备技术 钕铁硼永磁材料可分为烧结钕铁硼 粘结钕铁硼和注塑钕铁硼 烧结钕铁硼磁性能较好 但生产工艺较复杂 成本也较高 粘结钕铁硼磁体 虽因粘结剂的加入使得磁性能降低 但其具有易批量生产 制造尺寸精确 形状复杂 密度小 磁性能稳定等优点 在电子和医疗领域得到广泛应用 注塑钕铁硼有极高的尺寸精确度 容易制成各向异性 形状复杂的薄壁环或薄磁体 2020 4 19 5 烧结钕铁硼永磁材料制备技术 烧结钕铁硼磁体用粉末冶金方法制造 烧结nd fe b系永磁材料的磁性能主要由nd2fe14b基体相来决定的 nd2fe14b相的化学成分决定了磁极化强度js和各向异性场ha 剩磁br 矫顽力hcb和磁能积 bh max由成分和组织结构决定 烧结钕铁硼永磁材料制作流程 2020 4 19 6 合金铸造 平板铸造 合金铸造技术是制备高性能烧结nd fe b磁体的关键工艺 高性能磁体制造 nd fe b合金铸锭微观组织应该具有柱状晶完整 没有 fe偏析相 富钕相弥散分布的特点 常用的铸造方法有平板铸造 柱状铸造 薄板铸造 平板铸造模结构图1 金属液 2 冷却铜模 3 冷却水 平板铸造是生产钦铁硼最初采用的方法 它是通过将合金熔液浇铸在底部水冷的平板状铜锭模内 得到厚为30 50mm的板状铸锭 由于平板铸造为单面冷却 冷速较低 因此 fe较多 由sem图可知 非冷却面处柱状晶不完整 偏析较严重 对应的磁能积在240 280kj m3左右 平板铸造sem图灰色 主相 白色 富钕相 黑色 fe 2020 4 19 7 合金铸造 柱状铸造 柱状铸造是现在采用较广泛的铸造工艺之一 将nd fe b合金熔液浇铸在柱状 圆柱或长方柱 铜锭模内 锭模底部和四周都有水冷 得到圆柱形直径约100mm的铸锭 由于冷速提高 可以形成完整的柱状品 但依然有较多 fe存在 主相晶粒度为50 80 m 而 fe呈弥散分布 枝晶也有几个微米尺度 对应的磁能积在280 300kj m3左右 柱状铸造sem图灰色 主相 白色 富钕相 黑色 fe 柱状铸造模结构图1 金属液 2 冷却铜模 3 冷却水 2020 4 19 8 合金铸造 薄板铸造 柱状铸造是现在采用较广泛的铸造工艺之一 将nd fe b合金熔液浇铸在柱状 圆柱或长方柱 铜锭模内 锭模底部和四周都有水冷 得到圆柱形直径约100mm的铸锭 由于冷速提高 可以形成完整的柱状品 但依然有较多 fe存在 主相晶粒度为50 80 m 而 fe呈弥散分布 枝晶也有几个微米尺度 对应的磁能积在280 300kj m3左右 薄板铸造sem图灰色 主相 白色 富钕相 黑色 fe 薄板铸造模结构图1 金属液 2 冷却铜模 3 4 冷却水 2020 4 19 9 合金铸造新工艺 薄片铸造法 薄片铸锭法是目前最成功的铸造方法 其工艺是将熔融的液体倒或喷出在旋转的水冷金属辊表面 然后甩出 得到厚度为0 3mm左右的薄片铸锭 铸片比常规铸块的凝固速率快 抑止了 fe枝状晶的生成 铸片的粉碎性很好 主相晶粒中间的富nd相薄层 确保了在氢爆碎和气流磨制粉后形成取向排列的单晶粉末 提高磁体的剩磁 铸片中富nd相的分散性好 有利于在较低烧结温度下得到高性能磁体等 薄片铸造示意图 薄片铸造sem图灰色 主相 白色 富钕相 黑色 fe 2020 4 19 10 合金制粉 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 一种是氢爆碎 hd 另一种是机械破碎 将粗破后的246 m 175 m 60 80目 的中等粉末研磨至3 5 m细粉 该种磁粉绝大多数为单晶体 磨粉一般采用球磨制粉或气流磨制粉两种方法 球磨制粉有滚动球磨 振动磨 高能球磨等 晶粒尺寸的减小 矫顽力大幅度增加 剩磁增强 晶粒尺寸在3 5 m时钕铁硼磁体的磁性能达到最大值 2020 4 19 11 合金制粉 氢爆碎 氢爆碎是钕铁硼合金在吸氢过程中各相膨胀系数不同 膨胀量不同使得氢化物生成时晶格间产生微裂纹而导致合金破裂和粉化 ndfeb的吸氢可分为两步 首先吸氢的是露在表面的富nd相 2nd 2 xh2 2ndhx 其次是主相nd2fe14b吸氢 2nd2fe14b yh2 2nd2fe14bhy 当氢化物ndh2 7由面心立方变到六方晶型 晶格常数变大 体积膨胀20 氢化物nd2fe14bh5晶格也变大 相应体积膨胀了4 5 5 0 氢爆碎进料尺寸为0 1 100mm 出料尺寸为10 1000 m 氢爆碎原理图 氢爆碎装置 爆碎主体 2020 4 19 12 合金制粉 气流磨制粉 流化床气流磨的基本原理是通过在平面或空间呈一定角度分布的一组喷嘴喷出的高速气流使颗粒流态化 并携带颗粒到气流汇聚点发生剧烈碰撞和摩擦而粉碎 经过气流磨制粉粒径平均在3 m左右 粉碎室物料通过翻板阀1进入料仓2 由螺杆输送器3将物料送入粉碎室4 气流通过喷嘴5进入流化床 颗粒在高速喷射气流交点碰撞 该点位于化床中心 是靠气流对颗粒的高速冲击及粒子间的相互碰撞而使颗粒粉碎 进入粉碎腔内的物料利用数个喷嘴喷汇产生的气流冲击能 及其气流膨胀成流态化床悬浮翻腾而产生碰撞 摩擦进行粉碎 并在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分级装置8 然后细粉排列出口9外由旋风分离器及袋式收尘器捕集 粗粉受重力沉降返回粉碎区继续粉碎 图为德国alpine公司研制的流化床对撞式气流粉碎机 2020 4 19 13 取向成型 磁场取向成型是永磁产品生产的一道重要工序 稀土永磁体取向压制成型需要取向磁场在1194ka m以上 取向压制成型设备中均采用电磁铁提供取向磁场和退磁磁场 烧结nd fe b系永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的ndfeb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 0ms 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 0ms 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 粉末的磁场取向有两种方向 平行取向与垂直取向 粉末压形有两个目的 1 将粉末压制成一定的形状与尺寸的压坯 2 保持在磁场取向中所获得的晶体取向度 目前 普遍采用的压形方法有三种 即模压法 模压加冷等静压 橡皮模压 最好的方式是垂直取向的模压加冷等静压 a 平行取向 b垂直取向 2020 4 19 14 烧结与回火 压型只能使样品的相对密度达到60 85 其内部还有相当多的空隙 机械强度很低 磁性也不高 经过烧结 由于原子扩散 粉末颗粒互相融合而形成整体 这使样品的相对密度提高到94 98 机械强度增加 同时 磁性能 剩磁 矫顽力 磁能积 都大为提高 nd fe b粉末烧结温度约 0 70 0 85 t熔 采用真空气淬烧结炉烧结 先抽真空至10 2pa时开始加热 待真空度重新达到10 2pa后再充氩气烧结 一般烧结工艺温度控制 为了进一步提高nd fe b磁体的磁性能 烧结后的磁体应在氩气保护下 在500 900 温度范围内进行一次 二次回火处理 回火处理后 磁体的显微组织得到明显的改善 主相体积分数增加 晶界变得清晰 晶粒尺寸趋向均匀 颗粒状富nd相减少 富nd相沿晶界均匀分布 成分趋于共晶富nd相的成分 磁体的剩磁 矫顽力和最大磁能积都得到提高 最大磁能积普遍提高20 30kj m3 一次回火 二次回火 回火前sem图 灰色 主相 白色 富钕相 回火后sem图 2020 4 19 15 烧结物相 nd fe b烧结温度一般在1050 1070 nd2fe14b 由于富钕相 nd fe 熔点在650 700 烧结过程中变成液相 主相 nd2fe14b 和富硼相 nd1 1fe4b4 熔点较高 通常在1200 以上 因此富钕相会包裹在主相外层 富钕相包裹的形态主要有三种 镶嵌在主相晶粒上 连续分布在晶界边界 弥散分布在主相晶粒内部 富钕相的主要作用是促进烧结使磁体致密化及提高矫顽力 主相 nd2fe14b 是合金熔炼过程中在1200 发生包晶反应形成的 是钕铁硼永磁材料中唯一的铁磁相 其体积分数决定了nd fe b系永磁合金的br和 bh max 在烧结过程中该物相不发生变化 富硼相 nd1 1fe4b4 是熔炼过程中成分偏析 硼含量过高 造成的 烧结过程中大部分富硼相以多边形颗粒分布于晶界交隅处或在主相晶界上 个别颗粒分布在主相晶粒内部 富硼相对磁性能无益 因此要尽可能减小其体积分数 钕铁硼显微组织结构示意图 2020 4 19 16 表面处理 电镀电泳 镀层有zn ni cu cr sn au ag 目前广泛采用的有电镀锌 ni cu ni ni cu ni ag ni cu ni au ni cu ni 电泳环氧等膜层 化学镀镍 不加外加电流的情况下 镀液中的金属盐和还原剂发生氧化还原反应 在工件表面的催化作用下 金属离子还原沉积的过程 目前用于钕铁硼表面化学镀的镀液分为酸性和碱性两种 主要镀层成分以ni p合金为主 气相沉积防护 日本一些钕铁硼磁体生产商采用epson的一项介于热蒸发和热喷涂的技术 将金属铝沉积在钕铁硼表面用于防护 p