CN103567439A - 大高径比辐射环的取向压制装置及压制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大高径比辐射环的取向压制装置及压制方法，所述取向压制装置设于压机的支架上，所述压机包括上压制缸、下压制缸、支架和控制器；所述取向压制装置包括由不导磁材料制成的下阴模和设于下阴模上的由导磁材料制成的上阴模，上、下阴模上设有相对应的圆柱形空腔；所述上压制缸上设有上压头，上压头下表面上设有上励磁线圈，上励磁线圈内设有与上压头下表面相连接的上芯铁；上芯铁上设有管状上冲头，上冲头内设有可相对于上冲头上下移动的上芯棒。本发明具有可制成内禀矫顽力高、开裂少、抗弯强度高、大高径比、磁性能稳定、均匀性好的辐射环的特点。

Description

大高径比辐射环的取向压制装置及压制方法

技术领域

本发明涉及永磁材料制备领域，尤其是涉及一种用于制成内禀矫顽力高、开裂少、抗弯强度高、大高径比、磁性能稳定、均匀性好的大高径比辐射环的取向压制装置及压制方法。 

背景技术

烧结钕铁硼辐射环产品主要用于高档稀土永磁电机领域，具有便于组装，电机转动平稳、噪音小等优点，市场前景非常好。生产辐射环的难题主要有两个：一个难题是如何获得磁场强度高且均匀的径向取向磁场；另一个难题是辐射环易变性、开裂。目前径向取向技术主要有三种：一种是双极头对冲法，利用两个同极相对的励磁场对冲后产生向外辐射的磁场进行取向，例如专利00125615.7；另一种取向方法是四极聚磁法，采用四个极头同极向中心聚磁的方法进行取向，例如专利01111509.2；还有一种是周向分段取向法，每次取向只占辐射环周向360°角的很小一部分，通过取向磁场与模腔及磁粉的相对旋转完成360°取向的方法，例如200710106670.1。 

双极头对冲法和四极聚磁法存在制备大高径比的辐射环时径向取向磁场较低的缺点。根据磁场连续性原则，当成型毛坯的高径比大于1时，即便是在理想状态下（磁阻、漏磁、磁损等均不计）并且采用饱和磁极化强度最高的钴铁合金（H_o约为2.4T）做芯铁，当芯铁磁场强度达到饱和时，取向磁场仅为1.25T，低于钕铁硼磁粉取向常用的1.5T。在实际生产中磁阻、漏磁是无法避免的，所以采用现有技 术制备高径比为0.5的径向取向辐射环时，取向磁场强度很难达到1.5T，无法实现大高径比高性能径向取向辐射环的制作。 

第三种方法存在生产效率低，辐射环在周向360°内取向度存在差异等问题。 

中国专利CN00125615.7，授权公开日2001年5月2日，公开了一种一次成型径向取向烧结钕铁硼辐射环的制作工艺， a．将秤好的粉料置入模具下模的阴模型腔内； b．由CP机程控开动液压机将上模向下模靠拢，此时上压头、上芯棒、 上电磁铁同步下行，当行至上压头与阴模板接触后暂停； c．暂停后上下电磁铁、同时对辐射环进行充磁并开始径向取向； d．当充磁的磁场强度达到≥1．5T时，上压头继续下压进行双向压制，压力 达到≥15兆帕时卸压； e．上，下电磁铁反向退磁(此时已完成粉体的径向取向动作)； f．上模提升、下模退出，辐射环出模； g．出模后的辐射环进行烧结即成产品。该发明采用的是双极头对冲法，存在制备大高径比的辐射环时径向取向磁场较低的缺点。 

中国专利CN01111509.2，授权公开日2002年10月16日，公开了一种辐射环的多极聚合径向取向压制制备方法，包括励磁线圈、 主轭铁、阴模、工作区、聚磁轴芯、下芯棒、上芯棒、副轭铁、布料器、刮板、上压头、上模压头、 弹簧、下模压头、调节器、销钉、下压头、浮动油缸、下压油缸，励磁线圈通过主轭铁和阴模向内聚合，穿过工作区后的同性磁场在聚磁轴芯内碰撞后分上 下两路由上下芯棒、及副轭铁导回，形成一个完整的“田字型” 闭合回路，励磁线 圈是由恒磁线圈1#和脉冲线圈2#组成，脉冲线圈2# 装在直流恒磁线圈1#的里面。该发明是采用四个极头同极向中心聚磁的方法进行取向，存在制备大高径比的辐射环时径向取向磁场较低的缺点。 

发明内容

为了克服现有技术在生产大高径比的辐射环磁性能较低的问题和周向取向度不均匀的问题，提供了一种用于制成内禀矫顽力高、开裂少、抗弯强度高、大高径比、磁性能稳定、均匀性好的大高径比辐射环的取向压制装置及压制方法。 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

一种大高径比辐射环的取向压制装置，所述取向压制装置设于压机的支架上，所述压机包括上压制缸、下压制缸、支架和控制器；所述取向压制装置包括由不导磁材料制成的下阴模和设于下阴模上的由导磁材料制成的上阴模，上、下阴模上设有相对应的圆柱形空腔； 

所述上压制缸上设有上压头，上压头下表面上设有上励磁线圈，上励磁线圈内设有与上压头下表面相连接的上芯铁；上芯铁上设有管状上冲头，上冲头内设有可相对于上冲头上下移动的上芯棒； 

所述支架上设有下励磁线圈和由不导磁材料制成的阴模支撑块；阴模支撑块位于下励磁线圈内，下阴模位于阴模支撑块上，阴模支撑块上设有与圆柱形空腔相对应的下空腔；  

所述下压制缸上设有下压头，下压头上设有用于穿入下空腔内的管状下冲头，下冲头内设有下芯棒；控制器分别与压机和励磁线圈电连接。 

本发明的取向压制装置可以使大高径比（H/D≥1）辐射环分段取向成型，取向磁场强度可以达到1T以上（远高于传统方法所提供的取向磁场强度约0.5T），磁环的主要磁性能参数剩磁Br和最大磁能积（BH）max都有明显提高；另外该装置取向磁场均匀，磁环磁性能一致性好。 

作为优选，所述上芯铁下表面上设有开口向下的横截面呈圆形的凹槽，所述上冲头上部的内径等于凹槽的直径，所述上冲头上部的内径大于上冲头下部的内径；所述上芯棒的轴向剖面呈T字形，上芯棒上部位于凹槽与上冲头上部所围成的空腔内，凹槽内设有弹簧，弹簧两端分别与上芯棒的上端面和凹槽顶壁相接触。 

一种大高径比辐射环的取向压制装置的压制方法，包括如下步骤： 

（3-1）磁粉制备： 

磁粉的成分满足通式R_a（Fe_1-xT_x）_100-a-b-c-dM_bQ_cB_d,其中R为包括Y在内的所有稀土元素，T为Co和Ni，M为Cu、Nb、Zr、Mn、Mo、Cr中的至少一种，Q为Al、Zn、Ag、Ti中的至少一种，a、b、c、d、x分别满足：15≤a≤25，0≤b≤2，0.5≤c≤3，6≤d≤8，0≤x≤10，余量为Fe； 

将按照上述配比的金属及合金放入真空感应炉中，经过除湿排气处理并使真空度达到5Pa后，在炉体内充入高纯氩气进行熔炼，将熔炼好的钢水倒入水冷铜模或铜辊上急冷，得到R₂Fe₁₄B相为主的合金； 

在惰性气体的保护下，将R₂Fe₁₄B相为主的合金通过机械破碎或 氢破碎进行破碎，并将经过破碎的粉末用气流磨破碎制成磁粉，通过调整气流磨研磨的压力及分选轮的转速控制磁粉粒度，磁粉粒度具有以下特点：磁粉颗粒平均粒度为2-10μm；小于3μm的磁粉颗粒为15~25%，大于5μm的磁粉颗粒为35~60%； 

在磁粉中加入0~2wt%的Q粉末，Q粉末平均粒度小于3μm，经过0.5~10小时混料后，将磁粉放置8小时以上备用； 

（3-2）根据需要取向压制的辐射环的高度，在控制器里设定取向压制的次数n；设定取向压制的次数序号为i，i的初始值为1；设定每次取向压制时需要加在上、下压头上的压力及需要保压的时间； 

（3-3）第一次取向压制： 

（3-3-1）控制器通过压机控制下压头带动下冲头上行至上阴模下部并保持稳定；  

（3-3-2） 用工具将磁粉放入上阴模、下冲头和下芯棒形成的空腔内；上压头带动上冲头下行，上芯棒与下芯棒相接触，上阴模、上冲头、下冲头和下芯棒构成模腔； 

（3-3-3）控制器控制励磁线圈工作，控制器控制在上、下压头上加预设的压力，并且保压预定的时间，模腔内的磁粉被取向压制形成i次压制辐射环；  

（3-4）多次取向压制： 

当i＜n，控制器控制励磁线圈停止工作，上、下冲头同时下移，使i次压制辐射环移至下阴模的圆柱形空腔内； 

上压头上行带动上冲头与上阴模分离，用工具在i次压制辐射环上表面、下芯棒和上阴模形成的空腔内加入磁粉； 

使i值增加1，重复（3-3-3）中的取向压制操作；  

（3-5）辐射环压制完成： 

上、下压头同时上行，下冲头将整个辐射环顶出上阴模，完成一只径向取向辐射环的成型。 

磁粉的烧结R-Fe-B材料中主要包括两相：一个是对磁性能贡献最大的铁磁相是R₂Fe₁₄B相，称之为主相；另一种是晶界相，是一种富R相。单纯增加R₂Fe₁₄B相的百分比，不会提高辐射环的磁性能。   

本发明通过增加富R相，解决了大高径比辐射环的磁性能低及开裂多的问题： 

（1）富R相的熔点低，富R相在磁体生产工艺的烧结过程中变成液相。富R相促使磁体致密化，由此提高辐射环的磁化强度。 

（2）富R相克服了R₂Fe₁₄B相晶界的导致反向磁畴的成核点增加的缺点，使辐射环矫顽力增加。 

（3）富R相是非磁性的，R₂Fe₁₄B相被富R相隔离，增加了辐射环的矫顽力。 

当晶界富R相的分散不足以覆盖主相的晶界时，在没有被覆盖的晶界上会出现矫顽力的局部减小，从而使辐射环的矩形比受损，并影响到R-Fe-B材料的磁性能。 

提高晶界相的体积百分比并通过二次添加晶界相来改善晶界相 的分布可以有效地提高磁体的内禀矫顽力（Hcj）。 

另外，晶界相是一种硬度较低、塑性较好的组织，增加晶界相还可以改善磁体的机械性能。 

总之，本发明通过优化磁粉的成分设计，增加晶界相体积百分比并改善其分布状态从而提高磁体内禀矫顽力（Hcj）；通过控制磁粉粒度分布状态来改善磁粉的成形性；通过增加塑性较好的晶界相体积百分比来改善辐射环的机械性能；通过分段取向降低每段辐射环的高径比从而提高取向磁场强度； 

因此，本发明采用上述磁粉和取向压制装置可制成具有良好的塑性、开裂少、磁性能高的辐射环。 

取向压制时，给励磁线圈接通电源，励磁线圈产生磁场，磁力线通过上下芯棒汇合，然后穿过模腔对磁粉进行取向后进入上阴模，通过压机支架形成磁回路。 

采用本发明的取向压制装置对磁粉进行取向压制成径向取向辐射环，然后将辐射环放入真空烧结炉烧结，烧结温度1000~1120℃，保温0.5~6小时，并进行必要的回火处理。 

本发明采用高稀土成分设计，并添加大量的Q元素或Q粉增加晶界相的体积比，从而提高磁体的内禀矫顽力Hcj，改善辐射环机械性能；通过对磁粉中的粗粉与细粉比例进行控制，从而改善磁粉的取向性和成形性，同时改善辐射环的耐加工性；采用上、下阴模设计实现辐射环轴向分步取向压制，从而降低每次取向压制的高径比，提高取向磁场强度，提高辐射环磁性能。 

本发明的取向压制装置的取向磁场强度高，制成的辐射环磁性能高；在辐射环的制作及加工使用过程中都不容易开裂掉角。 

针对大高径比的辐射环，采用多次取向压制使辐射环随着取向压制的次数的增加，压制成的辐射环的高度不断增加，在最后一次取向压制时，再用一个较大的压力压制，从而得到一个整体的具有大高径比（高径比≥1）的辐射环。 

作为优选，所述n为2至10。 

作为优选，最后一次取向压制之前的每次取向压制时，控制器控制在上、下压头上加4至9兆帕的压力，保压时间为2至4秒。 

作为优选，控制器控制压力及保压时间随着取向压制的次数的增加而逐渐增大；最后一次取向压制时，控制器控制在上、下压头上加6至14兆帕的压力，保压时间为4至12秒。 

因此，本发明具有如下有益效果： 

（1）在同样重稀土用量的情况下，制成的辐射环的内禀矫顽力更高；（2）制成的辐射环开裂少，抗弯强度高，可以达到90N/mm²以上；（2）实现了大高径比（辐射环高度H/辐射环外径R≥1）径向取向辐射环的取向压制，取向磁场保持在1T以上；（3）采用多次取向压制技术制成的径向取向辐射环磁性能稳定、均匀性好。 

附图说明

图1是本发明的取向压制装置结构示意图； 

图2是本发明的实施例的一种流程图。 

图中：下阴模1、上阴模2、上压头3、上励磁线圈4、上芯铁5、上冲头6、上芯棒7、下励磁线圈8、阴模支撑块9、下压头10、下冲头11、下芯棒12、凹槽13、弹簧14、模腔15、下空腔16。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。 

如图1所示的实施例是一种大高径比辐射环的取向压制装置，取向压制装置设于压机的支架上，压机包括上压制缸、下压制缸、支架和控制器；取向压制装置包括由不导磁材料制成的下阴模1和设于下阴模上的由导磁材料制成的上阴模2，上、下阴模上设有相对应的圆柱形空腔； 

上压制缸上设有上压头3，上压头下表面上设有上励磁线圈4，上励磁线圈内设有与上压头下表面相连接的上芯铁5；上芯铁上设有管状上冲头6，上冲头内设有可相对于上冲头上下移动的上芯棒7； 

支架上设有下励磁线圈8和由不导磁材料制成的阴模支撑块9；阴模支撑块位于下励磁线圈内，下阴模位于阴模支撑块上，阴模支撑块上设有与圆柱形空腔相对应的下空腔16；  

下压制缸上设有下压头10，下压头上设有用于穿入下空腔内的管状下冲头11，下冲头内设有下芯棒12；控制器分别与压机和励磁线圈电连接。 

上芯铁下表面上设有开口向下的横截面呈圆形的凹槽13，上冲头上部的内径等于凹槽的直径，上冲头上部的内径大于上冲头下部的内径；上芯棒的轴向剖面呈T字形，上芯棒上部位于凹槽与上冲头上 部所围成的空腔内，凹槽内设有弹簧14，弹簧两端分别与上芯棒的上端面和凹槽顶壁相接触。下阴模和上阴模的高度比例为4:1。上阴模的高度与圆柱形空腔的直径的比例为2：3。 

如图2所示，制作一种高度为40毫米，外径为30毫米，内径为20毫米的径向取向辐射环的压制方法，包括如下步骤： 

步骤100，磁粉制备： 

按(Nd_0.9Dy_0.1)₁₇(Fe_0.95Co_0.05)_74.9(Cu_0.2Nb_0.8)_0.5(Al_0.8Ga_0.2)₁B_6.6配比原材料；将按照上述配比的金属及合金放入真空感应炉中，经过除湿排气处理并使真空度达到5Pa后，在炉体内充入高纯氩气进行熔炼，然后将熔炼好的钢水倒入水冷铜模或铜辊上急冷，得到合金片； 

在惰性气体的保护下，将合金片依次经过机械破碎和气流磨破碎制成磁粉，磁粉平均粒度为4.2μm；小于3μm的磁粉颗粒为16%，大于5μm的磁粉颗粒为58%。在磁粉中加入0.2wt%的Al粉末，Al粉末平均粒度0.5μm，经过2小时混料并放置10小时备用；  

步骤200，上、下芯棒和上阴模采用纯铁材料，纯铁材料的优点是价格低，磁导率高。选择高度为20毫米的上阴模；将选定的上阴模固定到下阴模上； 

在控制器里预设取向压制的次数n为3次，第一次取向压制时在上、下压头上加的压力为4兆帕，保压时间为2秒；第二次取向压制压力6兆帕，保压4秒； 第三次取向压制压力10兆帕，保压12秒；设定取向压制的次数序号为i，i的初始值为1； 

步骤300，第一次取向压制： 

步骤301，控制器控制下压头带动下冲头上行至上阴模下部并保持稳定；  

步骤302，用工具将磁粉放入上阴模、下冲头和下芯棒形成的空腔内；上压头带动上冲头下行，上芯棒与下芯棒相接触，上阴模、上冲头、下冲头和下芯棒构成模腔15； 

步骤303，控制器控制励磁线圈工作，控制器控制在上、下压头上加预设的压力，并且保压预定的时间，模腔内的磁粉被取向压制形成i次压制辐射环；  

步骤400，多次取向压制： 

当i＜3，控制器控制励磁线圈停止工作，上、下冲头同时下移，使i次压制辐射环移至下阴模的圆柱形空腔内； 

上压头上行带动上冲头与上阴模分离，用工具在i次压制辐射环上表面、下芯棒和上阴模形成的空腔内加入磁粉； 

使i值增加1，重复步骤303中的取向压制操作；  

步骤500，辐射环压制完成： 

上、下压头同时上行，下冲头将整个辐射环顶出上阴模，完成一只径向取向辐射环的成型。 

分三次取向压制是为了降低每次取向压制辐射环的高径比，前两次加压的目的是将取向后的磁粉固定；每次取向压制的磁粉松装高度为20毫米，压制后高度约为12毫米；但要给进一步提高密度留有空间，以便提高多次辐射环间的结合力；最后一次加压的目的是进一步 提高成型辐射环密度。 

比较例1： 

采用二极对冲一次取向压制的技术方案制备高40毫米外径30内径20毫米的径向取向辐射环毛坯。 

比较例2： 

采用四极聚磁一次取向压制的技术方案制备高40毫米外径30内径20毫米的径向取向辐射环毛坯。 

比较例3： 

采用周向分段取向方案制备高40毫米外径30内径20毫米的径向取向辐射环毛坯。 

比较例4： 

比较例4中的辐射环成分设计及合金制备方法与本发明的实施例中相同。磁粉粒度与本发明的实施例中不同：磁粉平均粒度,3μm；大于3μm的颗粒约55%。 

其它装置及方法与本发明的实施例中相同。 

表1  主要磁性能、机械性能及生产效率对比列表 

在生产高度40外径30内径20的辐射环生坯时，比较例1和比较例2取向磁场强度约为0.5T，而采用本发明的装置及方法取向磁场强度可以达到1T以上，所以采用本发明的装置和方法制备的辐射环剩磁和最大磁能积有明显提升。另外由于该发明的配方优化及磁粉粒度控制使辐射环的抗压强度也有了明显提升。比较例3磁性能与实施例1接近，但比较例3的周向剩磁一致性较差，而且生产效率较低。比较例4由于磁粉较细不利于取向，剩磁有明显降低；另外，磁粉细容易氧化而造成内禀矫顽力一致性不好。 

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 

Claims (6)

1.一种大高径比辐射环的取向压制装置，其特征是，所述取向压制装置设于压机的支架上，所述压机包括上压制缸、下压制缸、支架和控制器；所述取向压制装置包括由不导磁材料制成的下阴模（1）和设于下阴模上的由导磁材料制成的上阴模（2），上、下阴模上设有相对应的圆柱形空腔；

所述上压制缸上设有上压头（3），上压头下表面上设有上励磁线圈（4），上励磁线圈内设有与上压头下表面相连接的上芯铁（5）；上芯铁上设有管状上冲头（6），上冲头内设有可相对于上冲头上下移动的上芯棒（7）；

所述支架上设有下励磁线圈（8）和由不导磁材料制成的阴模支撑块（9）；阴模支撑块位于下励磁线圈内，下阴模位于阴模支撑块上，阴模支撑块上设有与圆柱形空腔相对应的下空腔（16）；

所述下压制缸上设有下压头（10），下压头上设有用于穿入下空腔内的管状下冲头（11），下冲头内设有下芯棒（12）；控制器分别与压机和励磁线圈电连接。

2.根据权利要求1所述的大高径比辐射环的取向压制装置，其特征是，所述上芯铁下表面上设有开口向下的横截面呈圆形的凹槽（13），所述上冲头上部的内径等于凹槽的直径，所述上冲头上部的内径大于上冲头下部的内径；所述上芯棒的轴向剖面呈T字形，上芯棒上部位于凹槽与上冲头上部所围成的空腔内，凹槽内设有弹簧（14），弹簧两端分别与上芯棒的上端面和凹槽顶壁相接触。

3.一种根据权利要求1所述的大高径比辐射环的取向压制装置的压制方法，其特征是，包括如下步骤：

（3-1）磁粉制备：

磁粉的成分满足通式R_a（Fe_1-xT_x）_100-a-b-c-dM_bQ_cB_d,其中R为包括Y在内的所有稀土元素，T为Co和Ni，M为Cu、Nb、Zr、Mn、Mo、Cr中的至少一种，Q为Al、Zn、Ag、Ti中的至少一种，a、b、c、d、x分别满足：15≤a≤25，0≤b≤2，0.5≤c≤3，6≤d≤8，0≤x≤10，余量为Fe；

将按照上述配比的金属及合金放入真空感应炉中，经过除湿排气处理并使真空度达到5Pa后，在炉体内充入高纯氩气进行熔炼；将熔炼好的钢水倒入水冷铜模或铜辊上急冷，得到R₂Fe₁₄B相为主的合金；

在惰性气体的保护下，将R₂Fe₁₄B相为主的合金通过机械破碎或氢破碎进行破碎，并将经过破碎的粉末用气流磨破碎制成磁粉，通过调整气流磨研磨的压力及分选轮的转速控制磁粉粒度，磁粉粒度具有以下特点：磁粉颗粒平均粒度为2-10μm；小于3μm的磁粉颗粒为15~25%，大于5μm的磁粉颗粒为35~60%；

在磁粉中加入0~2wt%的Q粉末，Q粉末平均粒度小于3μm，经过0.5~10小时混料后，将磁粉放置8小时以上备用；

（3-2）根据需要取向压制的辐射环的高度，在控制器里设定取向压制的次数n；设定取向压制的次数序号为i，i的初始值为1；设定每次取向压制时需要加在上、下压头上的压力及需要保压的时间；

（3-3）第一次取向压制：

（3-3-1）控制器通过压机控制下压头带动下冲头上行至上阴模下部并保持稳定；

（3-3-2） 用工具将磁粉放入上阴模、下冲头和下芯棒形成的空腔内；上压头带动上冲头下行，上芯棒与下芯棒相接触，上阴模、上冲头、下冲头和下芯棒构成模腔（15）；

（3-3-3）控制器控制励磁线圈工作，控制器控制在上、下压头上加预设的压力，并且保压预定的时间，模腔内的磁粉被取向压制形成i次压制辐射环；

（3-4）多次取向压制：

当i＜n，控制器控制励磁线圈停止工作，上、下冲头同时下移，使i次压制辐射环移至下阴模的圆柱形空腔内；

上压头上行带动上冲头与上阴模分离，用工具在i次压制辐射环上表面、下芯棒和上阴模形成的空腔内加入磁粉；

使i值增加1，重复（3-3-3）中的取向压制操作；

（3-5）辐射环压制完成：

上、下压头同时上行，下冲头将整个辐射环顶出上阴模，完成一只径向取向辐射环的成型。

4.根据权利要求3所述的大高径比辐射环的取向压制装置的压制方法，其特征是，所述n为2至10。

5.根据权利要求3所述的大高径比辐射环的取向压制装置的压制方法，其特征是，最后一次取向压制之前的每次取向压制时，控制器控制在上、下压头上加4至9兆帕的压力，保压时间为2至4秒。

6.根据权利要求3或4或5所述的大高径比辐射环的取向压制装置的压制方法，其特征是，控制器控制压力及保压时间随着取向压制的次数的增加而逐渐增大；最后一次取向压制时，控制器控制在上、下压头上加6至14兆帕的压力，保压时间为4至12秒。

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