CN103878368A - 一种取向磁场下干袋式快速等静压成形技术与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性材料的制备技术领域，提供了一种取向磁场下干袋式快速等静压成形的技术与装置。用新的设计理念，将取向磁场技术与干袋式等静压成形技术和装置巧妙的、有机的结合，提供了一种新型的能在任意方向、任意磁场强度的取向磁场下进行干袋式等静压成形的技术和装置。产品的取向度明显提高。新的技术与装置可将现有钕铁硼磁体生产中必须采用的两道工序合成为一道工序，并能达到较高的自动化、机械化水平。在生产过程中，粉末及压坯与油液不接触，每个压坯不需要包扎乳胶包套。压坯密度分布、内应力分布十分均匀。压坯可进行机械加工，原始粉末可回收。可生产重量较大的、形状较复杂的或长径比(I/d)较大的含单孔、多孔薄壁管、套类、多磁极类产品，大大提高了稀土矿产资源的利用率，将我国钕铁硼磁体的工业化生产水平推进到世界领先的水平。

Description

一种取向磁场下干袋式快速等静压成形技术与装置

技术领域

本发明属于磁性材料制备技术领域，提供了一种取向磁场下干袋式快速等静压成形方法。 

背景技术

烧结钕铁硼永磁材料自1984年(Sogawa等人发明)问世以来，因其具有极优异的磁性能(极高的磁能积)，故在短短的28年来，在发电机、电动机、扬声器、磁轴承等方面获得了极大的应用。这些产品广泛应用在航空航天、飞行器械、电动车辆、汽车微动部件、医疗器械等领域。近年来，随着风力发电、水力和潮汐发电等大型装备的发展，对大型钕铁硼永磁材料制品的需求愈加迫切。因此，世界各工业发达国家对大型钕铁硼磁体制备技术的研究投入了大量的人力物力。钕铁硼很快被列为战略资源。我国的稀土资源十分丰富，但钕铁硼磁体的制备技术和装备仍十分落后，大部分仍处在手工操作的水平，产品多为简单形状的小型零件。因此，很多钕铁硼资源不得不以急冷带材或急冷粉末的形式大量出口，而且向日本政府交付相关的专利费用，这是一种对子孙后代十分不利的憾事。 

近28年的文献检索可知，钕铁硼永磁体目前主要分烧结磁体和粘结磁体两大类。而且采用的制备技术和工艺均为典型的粉末冶金工艺，即采用急冷粉末制备-粉体成型-真空烧结或粘结-后续加工及充磁四大工序组成。28年来各工序均有很多新技术新工艺及装备出现，但粉体成型工序一直是钕铁硼永磁体(含锶铁氧体衫钴永磁等)发展的瓶颈。在生产过程中发现，即使是小型制品在成型的工序中都要先经过取向磁场下的钢模成形，然后再经湿袋等静力高压成形，才能制成有取向性的粉末压坯，否则压坯的密度很低，密度分布和内应力分布很不均匀，产品烧结后容易变形、开裂，废品率很高。而且冷等静压设备复杂，投资很大，操作很不方便，压坯很容易被油污染。1991年，北京科技大学吴成义教授设计了一种油缸式简易湿袋冷等静力压缸，这种设备投资小，而且是由压力机提供压力，使用很方便，很快在国内相关企业中推广开来。但其最大的缺陷是：1、不能在取向磁场中完成等静压成型；2、油液容易污染压坯；3、软模包袋消耗量大且操作繁琐。近年来，大型制品在取向磁场下的高密度高质量成形技术和装备是目前世界各国十分关注的研究热点，其难点在于：1、采用钢模成形对大 型制品来说会造成更严重的密度不均匀和内应力极不均匀；2、压坯相对密度更进一步降低；3、磁取向效果(取向度)明显下降；4、复杂形状无法成形或模具结构复杂，成本高；5、粉体型坯不能机械加工；6、原料(原始粉末)不能回收。最终致使产品磁性能明显下降，生产效率极低。 

发明内容

本发明所要解决的关键技术问题是： 

1、用新的设计理念，将取向磁场技术与干袋式等静力成形技术有机的结合，提供一种能在任意方向任意磁场强度的取向场下进行干袋式等静力成形的技术装置； 

2、新的技术与设备应能够实现较高的自动化、机械化水平，设备结构简单，造价低； 

3、要将现有生产中必须采用的两道工序合成为一道工序。粉体及压坯与油液不接触，每个压坯不需要包扎乳胶套； 

4、粉坯可进行机械加工，原始粉末可回收。 

附图1是本发明的能在取向磁场下进行干袋式等静力快速成形的装置示意图。各部分分别为：受力框架1；低压(24-32MPa)油缸2；高压(250-300MPa)油缸3；微型油泵油箱及油液伺服系统4。以上四部分组成高压油供油及控制系统，并安装在一个可旋转的台架上。在高压油缸的下部，设有两个对称的进出油管并经高压阀门10、高压油管8与两个对称的快速干袋式等静力成形模具6连通，两个模具、高压油管及阀门经固定托臂安装在可旋转的台架上。这种结构可以保证当一个等静力成型模具处在取向及等静力成形位时，另一个模具会处在自动取坯和自动装粉位。这样可实现半自动化或全自动程序控制。 

取向磁场是由强磁线圈9、导磁软铁7和可调取向磁场磁铁芯5组成，工作时，强磁线圈的电流控制以及磁铁与模具的耦合分离等均由程序控制柜12操作。 

附图1中6为干袋式快速冷等静压成形模具，它是本发明的核心技术与装置，其结构特征详见附图2。其中13、20为上下模导磁密封铁芯，其功能是将强磁场导入钕铁硼异性磁粉内部，以使磁粉颗粒内的磁畴完成定向排列的效果，还要承担第二层粉末成形软模及内部装填的粉末在高压下的密封任务。14为等静压侧缸，在其内壁表面，刻有相互沟通的油槽，并与侧壁多孔导油钢套(16)经热 装组成为等静压的复合套筒式高压缸体。这种复合缸体，沿侧向(取向场垂直的方向)提供的高压油将第一层加压软模(17)均匀地向轴线中心压缩。显然，第二层装有磁粉的硅橡胶软模也相应被压缩，其中的磁粉最终形成为具有很高磁取向度、密度、内应力都很均匀的粉坯。 

粉坯成型后，因体积收缩很大，自然会与第二层软模(18)分离，即完成一次取向-等静压成形工作。 

第一层加压软模(17)的上下两端，设计成反向的“V”形结构，目的是防止高压油从高压缸体上下两端泄漏。15、21分别为上下模可拆式受力盖。其功能一是提高等静压压缸侧壁的强度，二是提供第一层加压软模(17)的油封能力。 

本发明的优点 

1、取向磁场的方向始终与粉末颗粒移动(压缩)方向垂直，不仅可避免磁畴在压制时的混乱排列现象而且会随压坯密度提高，磁畴取向度明显提高； 

2、可将现有的钕铁硼磁体生产中必须采用的两道成形工序(即粉末磁取向场中的钢模预压成形及湿袋软模等静力压制成形)合成为一道工序，明显提高了生产效率； 

3、磁性粉末在成形过程中不与油液接触，避免了现有每个压坯都使用乳胶包套及繁琐的包扎-拆除过程。大大节省了资源和工时成本，生产环境大为改善； 

4、压坯在整个体积内的密度分布、内应力分布十分均匀，压坯不易开裂，并可进行机械加工，产品合格率提高； 

5、可生产重量较大(0.5-3kg)、形状较复杂的、特别是长径比(L/d)较大的特种产品和多磁极零部件； 

6、压坯在烧结前，所进行的机械加工粉屑经简单处理后可直接返回成形工序使用，大大提高了稀土矿产资源的利用率，降低生产成本； 

7、设备结构简单、投资少，容易实现全自动化。 

附图说明

下面结合附图1对本发明进一步说明 

图1是本发明的在取向磁场下干袋式快速冷等静压成形的设备简图：其中，小型快速增压器受力框架1；小型低压油缸2；小型高压(260MPa)油缸3；低压(32MPa)小型供油及液压控制系统4；可调取向磁场磁铁芯5；干袋式快速 冷等静压成形模具6；导磁软铁7；高压(100-260MPa)供油管8；充磁线圈9；高压油开关10；自动取样及自动装粉装置11；半自动或自动程序控制柜12。 

附图2是取向磁场下干袋式快速冷等静压成形模具的示意图：其中，上模导磁密封铁芯13；等静压侧缸14；上模可拆受力盖15；侧壁多孔导油钢套16；第一层加压软模(硅橡胶或其他)17；第二层粉末成形软模(硅橡胶或其他)18；高压油进出油管19；下模导磁密封铁芯20；下模可拆受力盖21； 

实施例1 

制备一种瓦状钕铁硼烧结磁体，各项性能： 

磁能积为(BH)max/40(MG.Oe)；合金密度为7.6g/cm³；瓦状产品尺寸为：(长)40mm×(宽)20mm×(厚)8mm，内弧面为R50mm。要求烧结后磨光。 

其相关软模设计及制备方法如下： 

1、干袋式快速冷等静压模具设计 

模具结构与附图2完全相同，但模具各部件尺寸应从压坯尺寸设计和相关计算开始。 

1.1、压坯设计 

1.1.1、烧结体尺寸确定 

烧结体最终尺寸：长L₁＝40mm，宽b₁＝20mm，厚H₁＝8mm，内弧面R_内1＝50mm，外弧面R_外1＝58mm。 

1.1.2、压坯尺寸计算 

K-压坯尺寸放大系数1.165 

压坯长：L₂＝L₁×K＝40×1.165＝46.6mm 

压坯宽：b₂＝b₁×K＝20×1.165＝23.3mm 

压坯厚：H₂＝H₁×K＝8×1.165＝9.32mm 

压坯内弧面：R_内2＝R_内1×K＝50×1.165＝58.25mm 

压坯外弧面：R_外2＝R_外1×K＝58×1.165＝67.57mm 

1.1.3、压坯最终尺寸确定 

首先要考虑软模成形时，由于软模质量及变形的不均匀性以及装粉密度的不均匀性等，必然会造成压坯表面出现凹凸不平的状态，故压坯在烧结前必须要经过机械加工(主要为磨削)，为此需将压坯尺寸均增加一个加工余量ΔX， 

ΔX＝2mm，故压坯的最终尺寸为： 

压坯长：L₃＝L₂+2ΔX＝46.6+4＝50.6mm 

压坯宽：b₃＝b₂+2ΔX＝23.3+4＝27.3mm 

压坯厚：H₃＝H₂+2ΔX＝9.32+4＝13.32mm 

压坯内弧面：R_内3＝R_内2-ΔX＝58.25-2＝56.25mm 

压坯外弧面：R_外3＝R_外2+ΔX＝67.57+2＝69.57mm 

1.2、软模尺寸设计 

1.1.3中所述，压坯的最终尺寸是指充填状态下的粉末经软模压缩后，成为压坯时的几何尺寸，故由压坯的最终尺寸设计软模尺寸时，应按粉末充填的空间尺寸来设计软模的内腔尺寸，并且要排除在厚度方向上不压缩的要求(仅有侧向压缩) 

1.2.1、第一层软模18的尺寸(见附图2中18) 

软模内腔尺寸设计如下：长L₄＝50.6Xα＝50.6X1.37＝69.32mm， 

                      宽b₄＝27.3mmX1.37＝37.53， 

式中：α-粉末径向压缩比，α＝4.8/3.5＝1.37；即α＝压坯密度/充填粉密度 

以下尺寸不需放大，厚H₄＝13.32mm，内弧面R_内4＝56.25mm， 

                  外弧面R_外4＝69.57mm 

第一层软模18的各处壁厚均为2mm。 

1.2.2、第二层软模17的尺寸(见附图2中17) 

第二层软模17的内腔尺寸与第一层软模的外围尺寸完全相同。 

第二层软模17的外围尺寸即各处壁厚均按3mm设计。 

第二层软模17的总高度H_总＝第一层软模厚(H₄)+20＝13.32+20＝33.32mm 

上式中，20mm的一半高度为第二层软模两端的倒“V”形端头的高度尺寸(“V”字形的夹角为45°，上端层厚5mm)。 

1.2.3、软模制造 

按有机硅橡胶软模制备工艺，先制备两种软模用的金属铝芯和模套(控制壁厚)，最后浇注成形即可，或去专业厂订购制造。 

1.2.4、等静压侧压缸制备 

侧壁多孔导油缸套见附图2中.(16)其结构与附图2相似，不同处只是内 腔截面形状为矩形，且尺寸与第二层软模(17)的外围尺寸完全相同。在矩形的4个侧壁上分别地均匀地开设有宽面24个和窄面6个Ф2mm小孔，其复合外套(14)的内壁上铣切出宽为3mm的油槽网线，将所有小孔沟通后用热装法将14和16组成为一体，最终与外路油管(19)、油阀门(10)联通(见附图2)。配合以相应的快速端盖(14上端盖、21下端盖)和上下模导磁密封铁芯(13、20)后，即完成了取向磁场下的干袋式快速等静压的软模与侧压缸体准备工作。 

1.3、取向磁场下的等静压成形 

1.3.1、装粉 

将第一软模(18)放入装粉框架内(框架的内腔尺寸与第一软模外形相同)，将单件重的粉末全部装入第一软模内(有底)，可轻轻摇动或敲打并不断压实后将装好粉的第一软模装入第二软模，并盖上两端快速端盖(14、21)放入取向磁场内。 

1.3.2、取向压制 

将快速成形软模放入到可调取向磁场磁铁芯(6)和导磁软铁(7)之间，调好磁间隙(压紧)，先开动充磁机(通电流)取向后，开动高压油缸，同时进行等静压。当充磁电流和高压油压力同时达到指标数据后，退除电流和油压，开动旋转台架，由取坯机取出压坯后再进行装粉，即完成了一个完整的取向磁场下的等静压成形工作。 

1.4、烧结 

将压坯放入Al₃0₂陶瓷托盘，然后放入真空炉中，按照钕铁硼永磁体常规的烧结工艺参数，烧结后即可获得烧结产品。 

1.5、表面磨光 

在专用磨床上用专用的金刚石磨轮将产品的各种尺寸和表面加工完后，送入产品尺寸及外观检验。 

1.6、充磁 

按产品出厂前要求，需充磁则进行充磁。 

1.7、产品最终检验出厂 

实施例2 

制备中型瓦状钕铁硼烧结磁体，各项性能： 

磁能积为(BH)max/40(MG.Oe)；合金密度为7.6g/cm³；中型瓦状产品尺寸为：(长)80mm×(宽)40mm×(厚)16mm，内弧面为R100mm。要求烧结后磨光。 

其相关软模设计及制备方法如下： 

2.1干袋式快速冷等静压模具设计 

模具结构与附图2完全相同，但模具各部件尺寸应从压坯尺寸设计和相关计算开始。 

2.1、压坯设计 

2.1.1、烧结体尺寸确定 

烧结体最终尺寸：长L₁＝80mm，宽b₁＝40mm，厚H₁＝16mm，内弧面R_内1＝100mm，外弧面R_外1＝116mm。 

2.1.2、压坯尺寸计算 

K-压坯尺寸放大系数同实施例1中1.1.2相同 

压坯长：L₂＝L₁×K＝80×1.165＝93.2mm 

压坯宽：b₂＝b₁×K＝40×1.165＝46.6mm 

压坯厚：H₂＝H₁×K＝16×1.165＝18.64mm 

压坯内弧面：R_内2＝R_内1×K＝100×1.165＝116.5mm 

压坯外弧面：R_外2＝R_外1×K＝116×1.165＝135.14mm 

2.1.3、压坯最终尺寸确定 

与实施例1中1.1.3相同，需将压坯尺寸均增加一个加工余量ΔX， 

ΔX＝2mm，故压坯的最终尺寸为： 

压坯长：L₃＝L₂+2ΔX＝93.2+4＝97.2mm 

压坯宽：b₃＝b₂+2ΔX＝46.6+4＝50.6mm 

压坯厚：H₃＝H₂+2ΔX＝18.64+4＝22.64mm 

压坯内弧面：R_内3＝R_内2-ΔX＝116.5-2＝114.5mm 

压坯外弧面：R_外3＝R_外2+ΔX＝135.14+2＝137.14mm 

2.2、软模尺寸设计 

与实施例1中1.1.3；1.2相同，应按粉末充填的空间尺寸来设计软模的内腔尺寸，并且要排除在厚度方向上不压缩的要求(仅有侧向压缩) 

2.2.1、第一层软模18的尺寸(见附图2中18) 

软模内腔尺寸设计如下：长L₄＝97.2Xα＝97.2X1.37＝133.16mm， 

                      宽b₄＝50.6Xα＝50.6X1..37＝69.32mm， 

式中：α-粉末径向压缩比，α＝4.8/3.5＝1.37；即α＝压坯密度/充填粉密度 

以下尺寸不需放大，厚H₄＝22.64mm，内弧面R_内4＝114.5mm， 

                  外弧面R_外4＝137.14mm 

第一层软模18的各处壁厚均为2mm。 

2.2.2、第二层软模17的尺寸(见附图2中17) 

第二层软模17的内腔尺寸与第一层软模的外围尺寸完全相同。 

第二层软模17的外围尺寸即各处壁厚均按3mm设计。 

第二层软模17的总高度H_总＝第一层软模厚(H₄)+20＝22.64+20＝42.64mm 

上式中，20mm的一半高度为第二层软模两端的倒“V”形端头的高度尺寸(“V”字形的夹角为45°，上端层厚5mm)。 

2.2.3、软模制造 

与实施例1中1.2.3相同 

2.2.4、等静压侧压缸制备 

与实施例1中2基本相同，所不同之处是在矩形的4个侧壁上分别地均匀地开设有宽面48个和窄面12个Ф2mm小孔， 

2.3、取向磁场下的等静压成形 

与实施例1中1.3即与1.3.1；1.3.2；完全相同。 

2.4、2.5、2.6、2.7 

上述各步骤与实施例中1.4；1.5；1.6；1.7；完全相同。 

Claims (9)

1.一种取向磁场下干袋式快速等静压成形技术与装置见图1。其特征在于提供了一种能在取向磁场下进行干袋式侧向等静压的技术与装置。

2.根据权利要求1所述，取向磁场是由常规充磁系统组成，但磁极间距可调，磁场强度可调。

3.根据权利要求1、2所述，干袋式侧向等静压装置是由特殊结构的干袋式等静压压模来完成，其结构中采用了五种特殊设计，即a.特种侧压供油的高压缸体，以保证侧向压缩粉末。b.特种两端油封式第一层隔油软模(袋)。c.特种快速缸体密封端盖(无磁钢)。d.可动旋转台架(含自动装粉，自动磁取向压制，自动取压坯)。e.采用内层装粉的第二层隔粉软袋，保证粉末与压坯不与油接触。这种特性组合的综合设计理念应当加以保护。

4.根据权利要求1、2、3所述，侧压供油的高压缸体是由双层组合套筒及侧壁上特设的油槽、油孔组成，这样可保证提供侧向高压油进行等静压侧向压制。

5.根据权利要求1、2、3、4所述，第一层隔油的软模两端采用倒“V”形的结构，这样在高压油压力下两模壁越贴越紧，从而达到两端油液密封作用。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述，特种快速缸体密封端盖是与高压缸体内壁和上、下模导磁密封铁芯(13、20)及第一层加压软模(17)组成轴向油封结构，阻止油液在轴向的泄漏，这种结构必须加以保护。

7.根据权利要求1、2、3、4、5所述，采用内层装粉的第二层隔粉软袋，一是防止第一层软袋破裂、漏油，二是有利于压坯脱模，这点必须加以保护。

8.根据权利要求1、2、4、6、7所述，第一层隔油软模和第二层隔粉软模的尺寸设计与计算方法、系数选取与材质确定必须加以保护。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述，自动台架及程序控制系统是按照粉末在等静压成形过程中所处的各工作位置参数及各工作位置上执行机构所需完成的动作和时间参数统编成程序控制网络，并实现微机控制。这一新的设计理念必须加以保护。

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