CN105632674A - 一种烧结钕铁硼磁瓦的方法及其放电等离子烧结装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，包括步骤一：选择采用常规方法制得的方块钕铁硼磁体毛坯；步骤二：将方块钕铁硼磁体毛坯切削成块状薄片；步骤三：将块状薄片钕铁硼磁体采用径向分布方式放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中；步骤四：开启放电等离子烧结装置，进行烧结、保温和冷却。一种用于所述的烧结钕铁硼磁瓦的方法的放电等离子烧结装置，包括炉膛、双层液冷装置、气氛控制系统和保温系统，所述双层液冷装置、气氛控制系统和保温系统分别与炉膛固定连接；所述双层液冷系统包括缓动液冷外层和高速液冷内层，所述缓动液冷外层和高速液冷内层固定连接。采用本发明制得的磁瓦磁力度大强度高，并且制作过程耗能低、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及磁体烧结工艺技术领域，尤其涉及一种烧结钕铁硼磁瓦的方法及其放电等离子烧结装置。
背景技术
钕铁硼，简单来讲是一种磁铁，和我们平时见到的磁铁所不同的是，其优异的磁性能而被称为“磁王”。钕铁硼中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性硬而脆。由于表面极易被氧化腐蚀，钕铁硼必须进行表面涂层处理。表面化学钝化是很好的解决方法之一。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于工作温度低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要求。
钕铁硼磁性材料，作为稀土永磁材料发展的最新结果，由于其优异的磁性能而被称为“磁王”。钕铁硼磁性材料是镨钕金属，硼铁等的合金。又称磁钢。钕铁硼具有极高的磁能积和矫力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。
而现有技术中的钕铁硼磁瓦是采用大块毛坯切割加工，材料利用率较低。现有磁瓦是用方块及常规毛坯切割得来，磁力线取向方向为水平方向，未能实现磁瓦半径方向形成辐射状分布。相比于辐射状磁环生产，可以提高产品的合格率，而且规格可以做大更大，辐射磁环由于取向及内应力的关系存在大量裂开现象。并且现有技术中钕铁硼磁瓦制作工艺中散热效果差，散热容易过快过慢，安全系数较低。
例如中国专利CN101867267B公开的径向取向电机用钕铁硼磁瓦的制作工艺及其成型模具。该工艺步骤如下：a、将粉料倒入方形磁体成型模具的阴模的方形腔；b、驱动上冲头向下滑动，当接触到粉料后停止滑动；c、两电磁铁同时粉料进行充磁取向；d、当充磁到达设定值时，上冲头继续向下滑动，同时下冲头向上滑动，上下冲头对粉料进行双向压制而成方形磁体；e、两电磁铁反向退磁；f、上冲头向上滑动，下冲头向上滑动将成型的方形磁体顶出方形腔；g、将方形磁体置于磁瓦成型模具的烧结陶瓷板的凹陷部内进行烧结，凹陷部的底面呈凸弧形或凹弧形，烧结形成磁瓦。该工艺中采用粉料成型，一次烧结，磁瓦的强度和磁力度均较低，并且采用压制工艺磁瓦的致密度难以得到保证，其制作过程的压力也不稳定。
又例如中国中国专利CN203426785U公开的一种钕铁硼磁瓦分割机工作室，包括一个刀台及位于刀台右侧可相对刀台前后左右运动的工作台，所述的工作台上设有下基板，所述下基板上竖立有第一后挡板和第一右挡板，所述下基板上设有夹具，所述第一后挡板的右侧与第一右挡板的后侧相连；所述第一后挡板上端还铰接有一个可前后翻转的翻盖，所述翻盖包括第一上挡板与连接在第一上挡板上的第一前挡板，所述翻盖向前翻转后所述第一上挡板位于夹具上方，所述第一前挡板位于夹具前方。该钕铁硼磁瓦分割机工作室采用切割加工，材料利用率较低，并且磁瓦是有方块及常规毛坯切割得来，磁力线取向方向为水平方向，未能实现磁瓦半径方向形成辐射状分布。
发明内容
为克服现有技术中存在的钕铁硼磁瓦烧结速度慢，磁力度较低，容易裂开的问题，本发明提供了一种烧结钕铁硼磁瓦的方法及其放电等离子烧结装置。
一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，包括如下步骤：
步骤一：选择采用常规方法制得的方块钕铁硼磁体毛坯；
步骤二：将方块钕铁硼磁体毛坯切削成块状薄片；
步骤三：将块状薄片钕铁硼磁体采用径向分布方式放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中；
步骤四：开启放电等离子烧结装置，所述放电等离子烧结装置的升温时间为25min-35min，保温时间为5min-10min,冷却时间为25min；所述放电等离子烧结装置的烧结温度为500℃-900℃。
进一步的，所述放电等离子烧结装置的升温时间为30min，保温时间为5min,冷却时间为25min。
进一步的，所述放电等离子烧结装置的烧结温度为600℃-800℃。
进一步的，所述放电等离子烧结装置的烧结温度为700℃。
本发明的另一个目的是提供一种用于所述烧结钕铁硼磁瓦的方法的放电等离子烧结装置，包括炉膛、双层液冷装置、气氛控制系统和保温系统，所述双层液冷装置、气氛控制系统和保温系统分别与炉膛固定连接；所述双层液冷系统包括缓动液冷外层和高速液冷内层，所述缓动液冷外层和高速液冷内层固定连接。
进一步的，所述炉膛包括弧形石墨盒底座放置模具、热电偶和放电等离子发生装置，所述弧形石墨盒底座放置模具与炉膛的底部固定连接，所述热电偶和放电等离子发生装置相连接。
进一步的，所述放电等离子发生装置设置有脉冲水冷器，所述脉冲水冷器与放电等离子发生装置固定连接。
进一步的，所述气氛控制系统包括真空泵、流量计和视窗，所述流量计与真空泵固定连接，所述视窗与炉膛的侧边固定连接。
进一步的，所述保温系统包括温度测量装置、安全控制装置和保温层，所述温度测量装置和安全控制装置相连接，所述保温层与安全控制装置相连接。
进一步的，所述保温层包括活动保温层、固定保温层和活动保温层驱动装置，所述固定保温层与炉膛固定连接，所述活动保温层与固定保温层活动连接，所述活动保温层与活动保温层驱动装置固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的烧结钕铁硼磁瓦的方法中采用方块毛坯，取向度高相比于生产U型毛坯前后模具导磁板歪曲导致的磁力线偏移可以更有效提高取向度。并且采用薄片状方片进行二次烧结使得产品的磁力度和强度均得到大幅提升。
(2)本发明的烧结钕铁硼磁瓦的方法中将块状薄片钕铁硼磁体采用径向分布方式放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中，使得烧结后的磁瓦呈径向分布，使得磁力度和磁瓦的强度相比平行分布均有大幅提高。
(3)本发明的烧结过程采用放电等离子烧结装置进行烧结，加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高。
(4)本发明的放电等离子烧结装置采用双层液冷系统进行冷却降温，其内层冷却液流速大于外层冷却液，充分利用了熵值相差越大热传递速度越快的特点使得内外冷却液温变差异下，节约能源并且使得运行过程更加安全。
(5)本发明的放电等离子烧结装置的保温层包括固定保温层和活动保温层，在炉体内温度发生异常变化时，活动保温层能够打开使得温度容易散失，从而确保温度不会过高发生意外，使得装置的安全性能得到提升。
附图说明
图1是本发明中烧结钕铁硼磁瓦的方法的流程示意图；
图2是本发明中块状薄片钕铁硼磁体放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中的示意图；
图3是本发明中的放电等离子烧结装置的结构示意图；
图4是本发明中放电等离子烧结装置的双层液冷系统的截面示意图；
图5是1.1T下本发明制得的磁瓦的测试报告；
图6是1.1T下普通方法制得的磁瓦的测试报告；
图7是1.2T下本发明制得的磁瓦的测试报告；
图8是1.2T下普通方法制得的磁瓦的测试报告；
图9是1.3T下本发明制得的磁瓦的测试报告；
图10是1.3T下普通方法制得的磁瓦的测试报告；
图11是1.4T下本发明制得的磁瓦的测试报告；
图12是1.4T下普通方法制得的磁瓦的测试报告。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1，本具体实施方式披露了一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，包括如下步骤：
步骤一：选择采用常规方法制得的方块钕铁硼磁体毛坯；钕铁硼分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼两种，粘结钕铁硼各个方向都有磁性，耐腐蚀；而烧结钕铁硼因易腐蚀，表面需镀层，一般有镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等。而烧结钕铁硼一般分轴向充磁与径向充磁，根据所需要的工作面来定。作为优选的，本具体实施例中，方块钕铁硼磁体毛坯采用径向分布方式放置，径向磁瓦分布的磁力线装机后现场有效磁场分布磁力线分布更加均匀，磁损耗更低。并且制作方块毛坯取向度可以达到98％以上，相比于生产U型毛坯前后模具导磁板歪曲导致的磁力线偏移可以更有效提高取向度。
步骤二：将方块钕铁硼磁体毛坯切削成块状薄片。优选的，方块钕铁硼磁体毛坯采用多线切割机进行切割，多线切割是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入半导体加工区域进行研磨，将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片薄片的一种新型切割加工方法。数控多线切割机已逐渐取代了传统的内圆切割，成为硅片切割加工的主要方式。采用多线切割机进行切割磁体的几何缺陷少，更适用于钕铁硼磁体质地较脆的特质。
步骤三：将块状薄片钕铁硼磁体采用径向分布的方式放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中，烧结石墨盒为底层有特制弧度的石墨底，将薄片产品水平放置于制定石墨盒底层中。在烧结过程，由于钕铁硼磁体软化随着弧度向下弯曲形成磁瓦的形状。
步骤四：开启放电等离子烧结装置。烧结钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能，广泛应用于电子、电力机械、医疗器械、玩具、包装、五金机械、航天航空等领域，较常见的有永磁电机、扬声器、磁选机、计算机磁盘驱动器、磁共振成像设备仪表等优选的。优选的，本具体实施例中，放电等离子烧结装置的升温时间为25min，保温时间为5min,冷却时间为25min，放电等离子烧结装置的烧结温度为500℃。优选的，在升温、保温和冷却阶段通过热电偶和保温系统配合确保温度在各个阶段有序稳定，有利于磁瓦的成型确保磁力度和强度。同时保温系统通过活动保温层和固定保温层配合既可以防止升温和保温过程中温度的损失，另一方面配合安全控制装置可以防止温度过高烧坏仪器引发危险。具体的，在温度过高时，活动保温层通过移动来迅速降温以避免温度过高引发危险。
为更好的描述本具体实施方式的技术效果，以下结合检测结果与常规方法制得的磁瓦进行分析。测试报告如下，分别是磁密度设置在磁密度设定值在1.1T,1.2T,1.3T和1.4T下的本发明制得的产品和普通方法制得的产品的测试报告，分别对应各自电机实例应用中的磁密度分布曲线得出。测试报告中X轴为四片同批磁瓦装机后磁力密度分布云图所对应的位置，Y轴对应的磁瓦中心一圈对应的磁密强度分布值。对应的Maxwell3D三维仿真对应的磁密分布热力云图，每个测试报告中左上角对应的m1(x,y)对应磁力密度最高点对应的数值。其中，图5是1.1T下本发明制得的磁瓦的测试报告，图6是1.1T下普通方法制得的磁瓦的测试报告，图5中的最高值为1.21T大于图6中的最高值0.93T；图7是1.2T下本发明制得的磁瓦的测试报告，图8是1.2T下普通方法制得的磁瓦的测试报告，图7最高值为1.34T大于图8最高值0.930T；图9是1.3T下本发明制得的磁瓦的测试报告，图10是1.3T下普通方法制得的磁瓦的测试报告，图9最高值为1.309T大于图10最高值1.038T；图11是1.4T下本发明制得的磁瓦的测试报告，图12是1.4T下普通方法制得的磁瓦的测试报告，图11最高值为1.45T大于图12最高值1.10T。
由检测结果可以看出，通过本发明的方法制作得到的磁瓦的磁密度最高值都普遍高于普通方法制作得到的磁瓦的磁体。
实施例2
本具体实施方式披露了一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，与实施例1的区别在于，放电等离子烧结装置的升温时间为30min，保温时间为7min,冷却时间为25min，放电等离子烧结装置的烧结温度为700℃。
采用本具体实施方式制作得到的磁瓦的磁力度和强度较实施例1制得的磁瓦都有所提升。
实施例3
本具体实施方式披露了一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，与实施例1的区别在于，放电等离子烧结装置的升温时间为35min，保温时间为10min,冷却时间为25min，放电等离子烧结装置的烧结温度为900℃。
采用本具体实施方式制作得到的磁瓦的磁力度和强度较实施例1制得的磁瓦相当。
实施例4
如图3和图4，本具体实施方式披露了一种用于实施例1中的烧结钕铁硼磁瓦的方法的放电等离子烧结装置，包括炉膛1、双层液冷装置2、气氛控制系统3和保温系统4，双层液冷装置2、气氛控制系统3和保温系统4分别与炉膛1通过耐温铆钉固定连接，其中炉膛1优选为横卧放置的圆筒状，双层液冷装置2位于炉膛1内部的上圆弧顶，气氛控制系统3位于炉膛1的外侧边，保温系统4位于炉膛的炉门上。
如图1所示的炉膛1包括弧形石墨盒底座放置模具11、热电偶12和放电等离子发生装置13，弧形石墨盒底座放置模具11与炉膛1的底部通过耐高温铆钉固定连接，热电偶12和放电等离子发生装置13相连接。作为优选的，放电等离子发生装置13设置有脉冲水冷器131，脉冲水冷器131与放电等离子发生装置13通过耐高温铆钉固定连接。具体的，放电等离子发生装置13包括轴向压力装置、水冷冲头电极、真空腔体和直流脉冲，其中水冷冲头电极通过直流脉冲进行直流放电产生放电等离子体。
优选的，放电等离子发生装置13采用SPS技术，SPS与热压(HP)有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波烧结法类似，SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去处表面氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。采用放电等离子发生装置13对钕铁硼磁体进行二次烧结，加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以使得得到的磁瓦的致密度更高，强度更大。
如图4所示的双层液冷系统2包括缓动液冷外层21和高速液冷内层22，缓动液冷外层21和高速液冷内层22固定连接。缓动液冷外层21和高速液冷内层22呈镶嵌状，高速液冷内层22位于缓动液冷外层21的环状中心。缓动液冷外层21和高速液冷内层22盘绕在炉体内部。缓动液冷外层21和高速液冷内层22的内部均设置有冷却液，并且高速液冷内层22的冷却液的流速大于缓动液冷外层21内的冷却液的流速。由于热传递过程中随着熵值的差距变大，传热速度也将变大，即温差越大传热越快。因此在冷却过程中，冷却管内外层的冷却液与炉体内部进行热传递的速度快，而外层冷却液与内层冷却液的热传递速度较慢，因此会造成冷却液流动过程中内外层温度不一致。即浪费了能源，又容易发生冷热不均流速异常的情况。因此将冷却液的内层和外层进行分隔，可以避免这样的情况发生。
如图3所示，气氛控制系统3包括真空泵31、流量计32和视窗33，流量计32与真空泵31固定连接，视窗33与炉膛1的侧边固定连接。其中真空泵31和流量计32位于气氛控制系统3与炉膛1的连接处。优选的，视窗33位于炉膛的炉门上正对弧形石墨盒底座放置模具11的位置。在烧结过程中各个放气段充入一定的惰性气体Ar，根据坯料放气速率和真空泵系统排气速率通过真空度控制来调整炉门Ar气压力，使之在不同Ar气分压下均匀地放气进行升温烧结，保持一定真空度。使得磁体的二次烧结过程中在自身重量及压力的作用下方片产品烧结成瓦型磁体。其中通过视窗33可以看到坯料的放气情况，通过流量计32可以得到系统排气速率。
如图3所示保温系统4包括温度测量装置41、安全控制装置42和保温层43，温度测量装置41和安全控制装置42相连接，保温层43与安全控制装置42相连接。保温层43包括活动保温层431、固定保温层432和活动保温层驱动装置433，固定保温层432与炉膛1通过耐热铆钉固定连接，也可以通过耐温焊接和螺钉连接等方式进行固定连接；活动保温层431与固定保温层432滑动连接，活动保温层431与活动保温层驱动装置433通过焊接连接。作为优选的，活动保温层431和固定保温层432的填充物为石棉纤维，石棉纤维的耐火性和保温性能均比较突出，可以很好的确保安全性和保温性能。在装置升温、保温和冷却过程如果冷却系统难以控制温度出现了温度异常的情况，活动保温层431则会在活动保温层驱动装置433的驱动下接触锁闭状态，从而使得温度更容易散失来使得整个炉体的温度降低。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选择采用常规方法制得的方块钕铁硼磁体毛坯；
步骤二：将方块钕铁硼磁体毛坯切削成块状薄片；
步骤三：将块状薄片钕铁硼磁体采用径向分布方式放置在烧结炉底部的弧形石墨盒底座中；
步骤四：开启放电等离子烧结装置，所述放电等离子烧结装置的升温时间为25min-35min，保温时间为5min-10min,冷却时间为25min；所述放电等离子烧结装置的烧结温度为500℃-900℃。
2.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，其特征在于：所述放电等离子烧结装置的升温时间为30min，保温时间为5min,冷却时间为25min。
3.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，其特征在于：所述放电等离子烧结装置的烧结温度为600℃-800℃。
4.根据权利要求3所述的一种烧结钕铁硼磁瓦的方法，其特征在于：所述放电等离子烧结装置的烧结温度为700℃。
5.一种用于权利要求1所述的烧结钕铁硼磁瓦的方法的放电等离子烧结装置，其特征在于：包括炉膛(1)、双层液冷装置(2)、气氛控制系统(3)和保温系统(4)，所述双层液冷装置(2)、气氛控制系统(3)和保温系统(4)分别与炉膛(1)固定连接；所述双层液冷系统(2)包括缓动液冷外层(21)和高速液冷内层(22)，所述缓动液冷外层(21)和高速液冷内层(22)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种放电等离子烧结装置，其特征在于：所述炉膛(1)包括弧形石墨盒底座放置模具(11)、热电偶(12)和放电等离子发生装置(13)，所述弧形石墨盒底座放置模具(11)与炉膛(1)的底部固定连接，所述热电偶(12)和放电等离子发生装置(13)相连接。
7.根据权利要求6所述的一种放电等离子烧结装置，其特征在于：所述放电等离子发生装置(13)设置有脉冲水冷器(131)，所述脉冲水冷器(131)与放电等离子发生装置(13)固定连接。
8.根据权利要求5所述的一种放电等离子烧结装置，其特征在于：所述气氛控制系统(3)包括真空泵(31)、流量计(32)和视窗(33)，所述流量计(32)与真空泵(31)固定连接，所述视窗(33)与炉膛(1)的侧边固定连接。
9.根据权利要求5所述的一种放电等离子烧结装置，其特征在于：所述保温系统(4)包括温度测量装置(41)、安全控制装置(42)和保温层(43)，所述温度测量装置(41)和安全控制装置(42)相连接，所述保温层(43)与安全控制装置(42)相连接。
10.根据权利要求9所述的一种放电等离子烧结装置，其特征在于：所述保温层(43)包括活动保温层(431)、固定保温层(432)和活动保温层驱动装置(433)，所述固定保温层(432)与炉膛(1)固定连接，所述活动保温层(431)与固定保温层(432)活动连接，所述活动保温层(431)与活动保温层驱动装置(433)固定连接。
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