CN103170630A - 各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法和装置，属于粘结磁体成型技术领域。本发明采用分体式模具盛装各向异性钕铁硼磁粉与环氧树脂粘结剂及固化剂的混合粉末，并置于一定磁场下取向，通过电阻加热模具和混合粉末至一定的温度后，用激光直接辐照在各向异性钕铁硼粉末上产生激光冲击直接压制粉末。本发明由于较少使用粘结剂和采用较高激光冲击波的压力压制，使粘结钕铁硼磁体的磁性性能得到了提高；在加热的同时进行压制，将成型和固化两道工序合二为一，减少了制品在生产过程中周转，缩短了产品生产周期，进一步提高了生产效率。

Description

各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法和装置

技术领域

本发明属于粘结磁体成型技术领域，具体涉及一种采用激光诱导的冲击波对各向异性钕铁硼粘结磁体进行成型的方法和装置，特别适合于微型产品的压制成型。

背景技术

钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁磁体器件被广泛应用于通讯、信息电子、交通、医疗卫生等众多领域，已成为许多高新技术产业必不可少的元件。随着现代产业的发展，电动车辆、风力发电、大型高速电机等方面对钕铁硼的应用需求也不断扩大，而这些领域要求磁体具有良好的综合性能，不但要有足够的磁性能，对其工作温度稳定性、力学性能以及电学性能都提出了较高的要求。

烧结钕铁硼永磁磁体虽然磁性能很高，但也存在着一些不足之处，如矫顽力偏低、居里温度偏低、工作温度偏低、抗腐蚀性能差、加工性能差等，使其在实际应用中受到一定限制。粘结钕铁硼永磁材料的出现为钕铁硼磁体的应用开辟了新的前景。

现有的粘结钕铁硼磁体制造的方法主要有模压成型、注射成型和挤出成型等，最常用的方法为模压成型，该方法主要是将磁粉与占2%-5%比例的粘结剂混合均匀，将混合粉放入模具中，依靠压机的压力作用使之压缩成型，最后将压坯转入烘箱或真空热处理炉中加热到一定温度，固化得到产品。由于粘结钕铁硼材料的成本低，制成的磁体尺寸精度高，形状自由度大，机械强度好，比重轻等优点，使用范围逐渐得到扩大，适应电子产品向轻、薄、短、小、微型化和形状复杂化的发展方向。

由于粘结钕铁硼磁体中含有一定数量的粘结剂，这些粘结剂均为非磁性材料，使粘结磁体磁性能相对较低，磁体的密度相对低。要提高磁体磁性性能和增大磁体的密度，主要方法是减少非磁性粘结剂的用量和加大压制的压力。然而现有的工艺制磁体时，粘结剂用量减少，会导致磁体的抗压强度降低；压制力的加大，对压机要求就越高；尤其是当磁体的尺寸微小时，仍然采用传统的上、下模合模的方式对粉末进行压制，使模具制造变得困难，使模具安装时上、下模具间隙的调整不便，在压制过程中的模具自身耗损严重。

相比于各向同性粘结磁体，各向异性粘结钕铁硼磁体理论磁能积大约是各向同性材料理论磁能积的四倍，磁性性能优异，热稳定性好，能显著能提高磁体使用温度，扩大了粘结钕铁硼磁体的使用范围，如用汽车马达中的磁体。如何得到高密度，磁性性能更加优异的粘结钕铁硼永磁材料一直是研究的热点。与本发明最为接近的技术是钕铁硼粘结磁体爆炸成型，如专利CN200510111923.5所公开的采用炸药爆炸制备各向异性钕铁硼粘结磁体，即在钕铁硼磁粉的周围布置一定数量的炸药，利用炸药爆炸产生的冲击波从多个方向粘结和压实磁性粉末，该方法能得到了高密度和高磁性能的各向异性钕铁硼磁体，但炸药爆炸成型的安全性较差，且爆炸的参数不易控制，该成形方法难以推广。

本发明利用激光诱导的冲击波作为压制力的力源来压制粉末成型，已有的文献表明使用GW/cm²量级的强激光辐照金属材料的表面时，在材料表面产生高压冲击波，利用该冲击波可以对材料表面进行冲击改性或对板料冲击成形。目前，对于工件的外观有较高要求，或者工件在激光冲击后无需再加工时，常常使用有吸收层模型（黑漆、铝箔、锌粉等），用吸收层材料来吸收激光能量，防止工件表面被激光烧蚀而影响美观。近年来，无吸收层模型开始使用在工程上得到应用，如日本学者Yuji SANO教授在《Laser Peening without Coating as a Surface Enhancement Technology》中没有使用吸收层，直接用激光辐照金属材料表面诱导的冲击波来强化核装置中的沸水反应堆冷凝管上的焊缝，以显著提高焊缝抗应力腐蚀的能力和延长其使用寿命。

发明内容

针对现有粘结钕铁硼磁体成型技术中存在的技术问题，本发明提供一种各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法和装置。本发明在使用环氧树脂粘结剂和固化剂的情况下，采用激光诱导的高压冲击波快速制成高密度高磁性性能的各向异性钕铁硼粘结磁体。

本发明所提供的各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法具体步骤如下：

（1）将各向异性钕铁硼磁粉与环氧树脂粘结剂及固化剂均匀混合得到各向异性钕铁硼磁体混合粉末，然后将所得到各向异性钕铁硼磁体混合粉末缓慢加入到分体式模具中，加入的同时进行振实。

（2）利用加热电阻对步骤（1）所述分体式模具以及各向异性钕铁硼磁体混合粉末进行加热，加热温度为100-150°C，同时在所述分体式模具的两侧水平位置设置1.2-1.5T的磁场，使各向异性钕铁硼磁体混合粉末取向。

（3）将受控的激光脉冲束辐照在所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末上，实行激光脉冲束诱导的冲击波压实成型得到各向异性钕铁硼粘结磁体。

（4）将步骤（3）得到的所述各向异性钕铁硼粘结磁体冷却30-90min后，打开分体式模具，取出各向异性钕铁硼粘结磁体制品，并对各向异性钕铁硼粘结磁体制品被激光烧蚀端面进行研磨以降低表面粗糙度，将研磨后各向异性钕铁硼粘结磁体经阴极电泳表面防锈处理，再经充磁后制得各向异性钕铁硼粘结磁体的永磁产品。

为实现上述各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法，本发明提供一种各向异性钕铁硼粘结磁体的成型装置，该装置包括激光发生器1、导光系统、工件模具系统以及信息控制与反馈系统；所述的导光系统包括导光管2、激光脉冲束3、全反镜4、冲击头5，所述导光管2的始端连接着激光发生器1，所述导光管2将激光发生器1、全反镜4和冲击头5依次连接起来，所述导光管2的终端对着分体式模具8，所述冲击头5内含有聚焦透镜；所述工件模具系统包括加热电阻7、分体式模具8、垫片9、工作台10，所述分体式模具8底部垫有所述垫片9并放置在所述工作台10上，所述加热电阻7设置在所述分体式模具8中；所述信息控制与反馈系统包括计算机13、红外测温装置11以及控制器12，控制信息由计算机13输入，传递给控制器12以控制激光脉冲束3的参数、工作台10的运动和各向异性钕铁硼磁体混合粉末6的加热温度，所述红外测温装置11的端口正对着分体式模具8，用来监测分体式模具8的加热温度，并实时将温度信息反馈给控制器12，从而使各向异性钕铁硼磁体混合粉末6保持在一定的温度下成型。

本发明方法中，为了得到高性能的各向异性钕铁硼磁体，在成型过程中加1.2-1.5T的磁场使各向异性钕铁硼磁粉取向；在激光脉冲束辐照下，各向异性钕铁硼磁体混合粉末表层的粉末被瞬间气化，形成高压等离子体，高压等离子体的急速膨胀产生了向粉体内部传播的高压冲击波，在冲击波的作用下，粉粒在冲击波作用下产生高速度运动，粉粒将产生平移或转动而相互靠近，某些粉末粒子被挤入邻近孔隙之中，一些较大的搭桥孔洞将发生崩塌，在很短时间内，使之得到致密。当冲击波的压力很高时，粉粒间的高速碰撞和摩擦使动能转化成大量热能，可以使粉粒间的接触点的表层熔融而连接起来，进而可得到更高致密度的粘结钕铁硼磁体。

本发明相对于现有技术的突出优点为：

1、由于脉冲激光参数可以较为方便地调节，具有较大的柔性，激光脉冲能量精确可控，激光诱导的冲击波压力精确可控，安全可靠。光斑尺寸可精确到微米量级，其光斑尺寸越小，激光的能量密度就越高，诱导的冲击波的压力就越大。

2、激光诱导的冲击波的压力可达几十个GPa，甚至上百个GPa，远高于模压过程中液压系统提供的压力，粉体受到了较高压力冲击波的作用下，不仅致密度得到了提高，而且由于受到冲击而产生的热使自身相互连接起来，从而减少了粘结剂的使用量，使粘结钕铁硼磁体的密度和磁性性能得到了提高。

3、采用激光诱导冲击波的压力替代现有的模具压制过程中液压设备提供的压力，是一种非接触式加工方法，从而使模具的结构变得简单，避免了在微型器件生产过程中微型模具的制造困难和安装时间隙调整的不方便。

4、本发明采用纳秒级的强激光诱导冲击波脉宽很短，冲击波压制的时间短，成型的效率高，在加热的同时将进行压制，减少了制品在生产过程中的周转，缩短了产品生产周期，进一步提高了生产效率。

5、采用温压成型技术制备粘结磁体，可以提高磁粉与分体式模具之间的润滑性, 有效提高钕铁硼粘结磁体的性能。

附图说明:

图1  本发明装置结构示意图。

图中：1：激光发生器；2：导光管；3：激光脉冲束；4：全反镜；5：冲击头；6：各向异性钕铁硼磁体混合粉末；7：加热电阻；8：分体式模具；9：垫片；10：工作台；11：红外测温装置；12：控制器；13：计算机。

具体实施方式：

本发明装置包括激光发生器1、导光系统、工件模具系统、信息控制与反馈系统。其中导光系统包括导光管2、激光脉冲束3、全反镜4、冲击头5。工件模具系统包括加热电阻7、分体式模具8、垫片9、工作台10。信息控制与反馈系统包括红外测温装置11、控制器12、计算机13。

先将各向异性钕铁硼磁粉与环氧树脂及固化剂混合后得到各向异性钕铁硼磁体混合粉末6，将各向异性钕铁硼磁体混合粉末6缓慢加入分体式模具8中，同时经1.2-1.5T的磁场处理；环氧树脂粘结剂的用量为所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末质量的0.1-1.2%，固化剂的用量为所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末质量的0.1-0.2%。为了避免激光冲击对工作台的影响，在分体式模具8底部垫上较软的6mm厚垫片9来吸收振动，并放置在工作台10上。移动工作台10水平位置，使分体式模具8的中心线和激光脉冲束3的轴线共轴，调节工作台10的上下位置，以调节各向异性钕铁硼混合粉末6混合体的上部与冲击头5内聚焦透镜的距离，从而调节光斑的大小。用加热电阻7来加热分体式模具8和各向异性钕铁硼混合粉末6，加热的温度范围为100-150°C，加热温度的高低通过红外测温装置11实时把温度信息反馈给控制器12，当温度达到设定的值时，使激光器1发出经过优化的激光脉冲束3。激光脉冲束3的波长为532nm、脉宽为2-20ns，激光脉冲的能量为40-250mJ，激光脉冲束3的光束模式可以是基模、多模等多种模式，其由控制器11调节和控制。由激光发生器1产生的激光脉冲束3经导光管2和全反境4以及冲击头5辐照在各向异性钕铁硼混合粉末6的表层上，各向异性钕铁硼混合粉末6的表层被瞬间气化，形成高压等离子体，高压等离子体的急速膨胀产生了向各向异性钕铁硼混合粉末6表层高压冲击波，其峰值压力可达GPa量级。粉粒在高压冲击波作用下产生高速度运动，将产生平移或转动而相互靠近；某些粉末粒子被挤入邻近孔隙之中；一些较大的搭桥孔洞将发生崩塌；同时粉粒间的高速碰撞和摩擦使动能转化成热能，从而使粉粒间的接触点的表层产生熔融和结合，从而压实和粘结钕铁硼磁体。各向异性钕铁硼粘结磁体冷却30-90min后，打开分体式模具8，取出制品，并对制品被激光烧蚀端面进行研磨以降低表面粗糙度值。将研磨后磁体经阴极电泳表面防锈处理，再经充磁后制得各向异性粘结钕铁硼磁磁体的永磁产品。

实施例：将各向异性钕铁硼磁性粉末与0.5wt%粘结剂和0.15wt%固化剂均匀混合，随后装入内径为φ4mm、高度为5mm的分体式模具8中，一边装入一边振实，且同时施加一个1.2T的磁场处理，用电阻7加热至温度110°C。激光脉冲束3的参数为光斑直径为φ4mm、波长为532nm、脉宽为8ns、激光脉冲的能量为200mJ，经过上述的激光诱导的冲击波冲压后，在分体式模具8中冷却45min后，得到φ4mm×4mm的各向异性粘结钕铁硼磁体，磁体性能为：剩磁Br=0.725T（特斯拉），内禀矫顽力jHc=689KA/m，最大磁能积（BH）max=85KJ/m³。

Claims (4)

1.各向异性钕铁硼粘结磁体的成型方法，其特征在于该成型方法具体步骤如下：

（1）将各向异性钕铁硼磁粉与环氧树脂粘结剂及固化剂均匀混合得到各向异性钕铁硼磁体混合粉末，然后将所得到各向异性钕铁硼磁体混合粉末缓慢加入到分体式模具中，加入的同时进行振实；

（2）利用加热电阻对步骤（1）所述分体式模具以及各向异性钕铁硼磁体混合粉末进行加热，加热温度为100-150°C，同时在所述分体式模具的两侧水平位置设置1.2-1.5T的磁场；

（3）将受控的激光脉冲束辐照在所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末上，实行激光脉冲束诱导的冲击波压实成型得到各向异性钕铁硼粘结磁体；

（4）将步骤（3）得到的所述各向异性钕铁硼粘结磁体冷却30-90min后，打开所述分体式模具，取出各向异性钕铁硼粘结磁体制品，并对各向异性钕铁硼粘结磁体制品被激光烧蚀端面进行研磨以降低表面粗糙度，将研磨后各向异性钕铁硼粘结磁体经阴极电泳表面防锈处理，再经充磁后制得各向异性钕铁硼粘结磁体的永磁产品。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于步骤（1）中所述环氧树脂粘结剂的用量为所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末质量的0.1-1.2%，所述固化剂的用量为所述各向异性钕铁硼磁体混合粉末质量的0.1-0.2%。

3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于步骤（3）中所述的激光脉冲束的波长为532nm、脉宽为2-20ns，激光脉冲的能量为40-250mJ。

4.一种实现权利要求1所述成型方法的装置，其特征在于该装置包括激光发生器（1）、导光系统、工件模具系统、信息控制与反馈系统；所述的导光系统包括导光管（2）、激光脉冲束（3）、全反镜（4）、冲击头（5），所述的导光管（2）的始端连接所述的激光发生器（1），所述的导光管（2）将所述的激光发生器（1）、全反镜（4）和冲击头（5）依次连接起来，所述的导光管（2）的终端对着分体式模具（8），所述的冲击头（5）内含有聚焦透镜；所述的工件模具系统包括加热电阻（7）、分体式模具（8）、垫片（9）、工作台（10），所述的分体式模具（8）底部垫有所述垫片（9）并放置在所述工作台（10）上，所述的加热电阻（7）设置在所述的分体式模具（8）中；所述的信息控制与反馈系统包括计算机（13）、红外测温装置（11）以及控制器（12），控制信息由所述的计算机（13）输入后传递给所述的控制器（12），所述的红外测温装置（11）的端口正对着所述的分体式模具（8），所述的红外测温装置（11）用来监测所述的分体式模具（8）的加热温度，并将温度信息实时反馈给所述的控制器（12）。

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