CN109524231A - 烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉及其扩散方法 - Google Patents

烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉及其扩散方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的设备及其扩散方法，具体为烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉及其扩散方法。解决现有扩散设备处理效率低、浪费能源、自动化程度低等问题，以及现有扩散方法剩磁和矫顽力无法兼顾的问题。本发明的扩散炉采用了冷却室和炉胆的“双室”结构，提高了工件的处理效率，节约了能源。结构设计可实现工件与重稀土粉末的自动分离，提高了设备运行的自动化程度，降低了人工成本。本发明所述的扩散方法基于所述的扩散炉，优化了工艺步骤和工艺参数，达到和现有技术相同的结果，但由于渗透完成后能够自动马上实现工件与粉末的分离，提高了材料的利用率30‑60%，节约了材料和人工。

Description

烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉及其扩散方法
技术领域
本发明涉及烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的设备及其扩散方法，具体为烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉及其扩散方法。
背景技术
为了得到高剩磁和高矫顽力的烧结钕铁硼永磁体，采用表面渗透及扩散方式在烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土。表面渗透及扩散方法又分真空溅射法、涂敷法、埋入法。
埋入法是将工件（烧结钕铁硼永磁体）埋入重稀土粉末中，在真空及高温下进行渗透处理；然后，将工件与重稀土粉末分离，在真空及高温下对工件进行扩散处理；随后还有时效处理工序。在埋入法的处理过程中，工件需在真空条件下进行且需多次的加热及冷却，现有的扩散设备（炉）在完全冷却后才能进行工件与重稀土粉末的分离，使扩散及随后的时效处理增加了时间，浪费了能源；更主要的是，冷却后的磁体和粉末已经发生粘连，很难分离，降低了重稀土材料的利用率。同时，现有的扩散设备（炉）自动化程度相对较低，如，工件与重稀土粉末分离都是人工完成，人工成本较高。
发明内容
本发明解决现有扩散设备（炉）存在的上述问题，提供一种烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉；并提供基于该扩散炉的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，包括炉胆，炉胆外层包覆有加热装置；炉胆的一侧端口密封连接有密闭的冷却室，冷却室内有配置有驱动机构的移动支承板，移动支承板上放置有底部敞口的扩散料盒，扩散料盒的底部敞口上有支撑栅栏或支撑网，移动支承板上开有与扩散料盒的底部敞口适配的孔洞，扩散料盒置于孔洞上；移动支承板底面活动设置有覆盖孔洞的挡板，冷却室内壁上设有与挡板配合的挡块；移动支承板上还固定有绝热堵头；移动支承板在其驱动机构的驱动下，将其上的扩散料盒送入炉胆，且使绝热堵头堵于炉胆的入口，绝热堵头与炉胆内壁保护间隙；移动支承板在其驱动机构的驱动下脱离炉胆进入冷却室，脱离过程中挡块使挡板脱离对孔洞的覆盖而使孔洞打开；冷却室配置有气体循环冷却系统和抽真空系统。使用时，将工件放入扩散料盒内并埋入重稀土粉末，启动抽真空系统对冷却室和炉胆内腔抽真空，移动支承板在其驱动机构的驱动下，将其上的扩散料盒送入炉胆，且使绝热堵头堵于炉胆的入口，由于绝热堵头与炉胆内壁保护间隙，可维持炉胆内的真空状态；启动加热装置对炉胆进行加热，从而实现渗透处理；渗透完成后，移动支承板在其驱动机构的驱动下脱离炉胆进入冷却室，脱离过程中挡块使挡板脱离对孔洞的覆盖而使孔洞打开，扩散料盒内的重稀土粉末经孔洞漏出扩散料盒，启动气体循环冷却系统，从而降低工件及炉胆温度，然后再次将扩散料盒送入炉胆，对工件进行扩散处理；再次移出炉胆并冷却，再送入炉胆进行时效处理，……；待工件冷却后完成完成整个渗透、扩散、时效处理过程。
本发明所述的扩散炉采用了冷却室和炉胆的“双室”结构，提高了工件的处理效率，节约了能源。结构设计可实现工件与重稀土粉末的自动分离，提高了设备运行的自动化程度，降低了人工成本。本发明结构设计新颖、独特，是实现烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的理想设备。
基于上述扩散炉的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散方法，是由如下步骤实现的：
1）将成品的烧结钕铁硼永磁体摆入扩散料盒；
2）将重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末填满扩散料盒； RT是Dy、Tb、Ho的一种或多种任意比例的组合，M是Fe、Al、Cu、Ga一种或多种任意比例的组合；
3）扩散料盒被送入炉胆；
4）启动抽真空系统，建立1Pa～0.003Pa的真空度；启动加热装置，升温到700-950℃，进行渗透处理；
5）1-10小时后，将扩散料盒移出炉胆至冷却室；在移出过程中，扩散料盒中的重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末自动漏出扩散料盒，而实现烧结钕铁硼永磁体与重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末的分离；
6）将扩散料盒再次送入炉胆，在真空度为10-1--10-2Pa，温度650-950℃的环境下，进行扩散处理1-10小时；
7）将扩散料盒移出炉胆至冷却室；启动气体循环冷却系统，使工件温度冷却到50-200℃；
8）再次将扩散料盒送入炉胆，进行450--650℃、真空度10-1--10-2Pa的时效处理；
9）将扩散料盒移出炉胆至冷却室，启动气体循环冷却系统，使烧结钕铁硼永磁体风冷到100℃以下，而完成处理过程。
和现有技术对比：a)对比真空溅射，真空溅射的靶材利用率低，一般在45-50%，成本高；要工件每个面分别溅射，还要送到真空炉内进行真空扩散处理，效率低；设备复杂，投资大。b)对比表面涂敷，工件要逐个喷涂、印刷、浸挂，效率低；要加入粘结剂，最后粘在表面很难去除；在扩散中会出现涂敷层剥落，可靠性差。c)对比埋入法，现有埋入法在完成渗透后、冷却前工件和粉末始终接触，会造成表面过渗透；因为在接触中冷却，磁体表面析出的富稀土相和粉末粘连，造成重稀土材料的浪费和清理的困难。本发明所述的扩散方法基于所述的扩散炉，优化了工艺步骤和工艺参数，达到和现有技术相同的结果，即剩磁下降很小，矫顽力大幅度提高；但由于一次渗透完成后能够自动马上实现工件与粉末的分离，提高了重稀土材料的利用率30-60%，节约了重稀土材料和人工，降低了设备投入，降低了综合成本。
附图说明
图1为本发明所述扩散炉的外部结构示意图；
图2为本发明所述扩散炉的内部结构示意图；
图3为图2的第一侧剖图；
图4为图2的第二侧剖图；
图5为图2的第三侧剖图；
图6为本发明所述扩散炉在另一工作状态下的内部结构示意图；
图7为本发明所述扩散炉的结构俯视图；
图8为本发明冷却室内移动支承板及其上扩散料盒的结构示意图；
图9为图8中挡板的仰视图；
图10为图9的局部放大图；
图11为本发明扩散料盒的结构示意图；
图12为本发明带插板的扩散料盒的结构示意图；
图13为本发明其内排列有多层工件的扩散料盒的结构示意图。
图中：1－炉胆，2－加热装置，3－冷却室，4－移动支承板，5－扩散料盒，6－挡板，7－挡块，8－绝热堵头，9－法兰，10－支撑滚轮，11－辊轴，12－支撑轴，13－电机，14－减速机，15－联轴器，16－密封轴承，17－钢丝卷线筒，18－钢丝，19－卡孔，20－卡紧螺钉，21－接料桶，22－冷却风机，23－热交换器，24－插板，25－风冷喷嘴，26－振动器，27－端门，28－侧门，29－抽真空装置。
具体实施方式
烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，包括炉胆1，炉胆1外层包覆有加热装置2；炉胆1的一侧端口密封连接有密闭的冷却室3，冷却室3内有配置有驱动机构的移动支承板4，移动支承板4上放置有底部敞口的扩散料盒5，扩散料盒5的底部敞口上有支撑栅栏或支撑网，移动支承板4上开有与扩散料盒5的底部敞口适配的孔洞，扩散料盒5置于孔洞上；移动支承板4底面活动设置有覆盖孔洞的挡板6，冷却室3内壁上设有与挡板6配合的挡块7；移动支承板4上还固定有绝热堵头8；移动支承板4在其驱动机构的驱动下，将其上的扩散料盒5送入炉胆1，且使绝热堵头8堵于炉胆1的入口，绝热堵头8与炉胆1内壁保护间隙；移动支承板4在其驱动机构的驱动下脱离炉胆1进入冷却室3，脱离过程中挡块7使挡板6脱离对孔洞的覆盖而使孔洞打开；冷却室3配置有气体循环冷却系统和抽真空系统。
炉胆1与冷却室3之间是通过法兰9连接的。
移动支承板4的一端设有支撑于冷却室底面的支撑滚轮10，另一端位于支撑在冷却室3上的辊轴11上；移动支承板4的驱动机构包括经密封轴承16支撑于冷却室3上且分别位于移动支承板4两端的支撑轴12，在冷却室3外部分别设有两个支撑轴12的旋转驱动机构，所述的旋转驱动机构由电机13、减速机14、联轴器15构成，两个支撑轴12上分别固定有钢丝卷线筒17，钢丝18的两端分别缠绕在两个支撑轴12上的钢丝卷线筒 17上，同时，钢丝18与移动支承板4连接（具体是与支撑滚轮10和移动支承板4之间的支撑杆连接）；一个支撑轴12被正向驱动时（另一个支撑轴从动），钢丝18向一侧移动，移动支承板4的一端被送入炉胆1；另一个支撑轴12被反向驱动时，钢丝18向另一侧移动，移动支承板4移出炉胆1（而进入冷却室3）。具体实施时，支撑滚轮10为两个，每个支撑轴12上有两个钢丝卷线筒17，两个支撑轴12上位置对应的钢丝卷线筒17之间缠绕钢丝18，这样，移动支承板4的两侧都有牵引钢丝18，移动支承板4可更平稳地移动。冷却室3内设有导轨，支撑滚轮10位于导轨上。
挡板6的四个角部开有卡孔19，四个角部的卡孔19由大圆孔和条孔构成，移动支承板4的底面固定有与卡孔19配合的卡紧螺钉20，卡紧螺钉20的端部直径小于大圆孔的直径但大于条孔的宽度；当卡紧螺钉20的端部卡于条孔时，挡板6被活动设置在移动支承板4底面而覆盖住孔洞，在移动支承板4移出炉胆1的过程中，由于挡块7的阻挡使卡紧螺钉20的端部进入大圆孔时，挡板6掉落下来而打开孔洞。或者挡板6一侧的两个角部的卡孔19为条状豁口（即一端开口的条状孔），与条状豁口配合的卡紧螺钉20的端部直径大于条状豁口的宽度，挡板6另一侧的两个角部的卡孔19由大圆孔和条孔构成，与由大圆孔和条孔构成的卡孔配合的卡紧螺钉20的端部直径小于大圆孔的直径但大于条孔的宽度；当卡紧螺钉20的端部卡于条状豁口、条孔时，挡板6被活动设置在移动支承板4底面而覆盖住孔洞，在移动支承板4移出炉胆1的过程中，由于挡块7的阻挡使一侧的卡紧螺钉20的端部进入大圆孔，另一侧的卡紧螺钉20脱离条状豁口时，挡板6掉落下来而打开孔洞。为承接扩散料盒5漏下的重稀土粉末，冷却室3内在移动支承板4的孔洞下方放置有接料桶21，与挡板6配合的挡块7固定于接料桶21的桶口边缘，这样，挡块7对挡板6阻挡后，挡板6与扩散料盒5内的重稀土粉末一起落入接料桶21内。
所述的气体循环冷却系统由冷却风机22、带有冷却循环水进、出口和热风进口、冷风出口的热交换器23构成；冷却风机22的出风口经管路从冷却室3上部进入冷却室3，冷却室3下部有回风口，回风口经管路与热交换器23的热风进口连接，热交换器23的冷风出口与冷却风机22的进风口连接。工作时，热交换器23的冷却循环水进、出口与冷却水循环系统连接，将冷却室3内的热量带走。为增加风冷均匀性，冷却室3内设有风冷喷嘴25
扩散料盒5内从下至上用支撑栅栏或支撑网分隔为多层，这样可在扩散料盒5内码放多层工件。扩散料盒5的底部设有插板槽，插板槽内插有插板24；在装料时，将插板24插上，将装料后的扩散料盒5置于冷却室3内的移动支承板4上之后，抽出插板24，以此使装料操作更方便。移动支承板4上可放置多排、多列扩散料盒5，对应地移动支承板4上开有多个孔洞，多个孔洞共用一个挡板6。移动支承板4上还设有振动器26，加速扩散料盒内重稀土粉末与工件的分离。冷却室3的一端设有端门27，冷却室3的侧面还设有侧门28，端门27用于冷却室3内部件的安装，平时不打开，侧门28用于取放工件。抽真空系统包括冷却室3上的抽真空管口和与抽真空管口连接的抽真空装置29。
基于上述扩散炉的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散方法，是由如下步骤实现的：
1）将成品的烧结钕铁硼永磁体摆入扩散料盒；
2）将重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末填满扩散料盒； RT是Dy、Tb、Ho的一种或多种任意比例的组合，M是Fe、Al、Cu、Ga一种或多种任意比例的组合；
3）扩散料盒被送入炉胆；
4）启动抽真空系统，建立1Pa～0.003Pa（如，1 Pa、0.5 Pa、0.1 Pa、0.05 Pa、0.01 Pa、0.008 Pa、0.003 Pa）的真空度；启动加热装置，升温到700-950℃（如，700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃），进行渗透处理；
5）1-10小时后（如，1小时、2小时、2.5小时、3小时、4小时、5小时、5.5小时、6小时、7小时、8小时、8.8小时、9小时、10小时），将扩散料盒移出炉胆至冷却室；在移动过程中，扩散料盒中的重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末自动漏出扩散料盒，而实现烧结钕铁硼永磁体与重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末的分离；
6）将扩散料盒再次送入炉胆，在10-1--10-2Pa，温度650-950℃的环境下，进行扩散处理1-10小时；
7）将扩散料盒移出炉胆至冷却室；启动气体循环冷却系统，使工件温度冷却到50-200℃（如，50℃、60℃、80℃、100℃、130℃、155℃、190℃、200℃）；
8）再次将扩散料盒送入炉胆，进行450--650℃（如，450℃、500℃、580℃、600℃、620℃、650℃）、真空度10-1--10-2Pa（如0.1 Pa、0.08 Pa、0.05 Pa、0.03 Pa、0.01 Pa）的时效处理；
9）将扩散料盒移出炉胆至冷却室，启动气体循环冷却系统，使烧结钕铁硼永磁体风冷到100℃以下，而完成处理过程。
步骤2）中重稀土合金RTM的RT的含量是75-100%，M含量是0-25%，重稀土合金RTM的颗粒大小在0.1-10mm（如，0.1 mm、0.5 mm、0.8 mm、1 mm、2.5 mm、5 mm、8 mm、10 mm）；重稀土氟化物RTF3是DyF3、TbF3、HoF3的一种或多种任意比例的组合，重稀土氟化物RTF3粉末的粒度小于0.1mm（如，0.02 mm、0.05 mm、……）。

Claims (10)

1.一种烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，包括炉胆(1)，炉胆(1)外层包覆有加热装置(2)；其特征在于，炉胆(1)的一侧端口密封连接有密闭的冷却室(3)，冷却室(3)内有配置有驱动机构的移动支承板(4)，移动支承板(4)上放置有底部敞口的扩散料盒(5)，扩散料盒(5)的底部敞口上有支撑栅栏或支撑网，移动支承板(4)上开有与扩散料盒(5)的底部敞口适配的孔洞，扩散料盒(5)置于孔洞上；移动支承板(4)底面活动设置有覆盖孔洞的挡板(6)，冷却室(3)内壁上设有与挡板(6)配合的挡块(7)；移动支承板(4)上还固定有绝热堵头(8)；移动支承板(4)在其驱动机构的驱动下，将其上的扩散料盒(5)送入炉胆(1)，且使绝热堵头(8)堵于炉胆(1)的入口，绝热堵头(8)与炉胆(1)内壁保护间隙；移动支承板(4)在其驱动机构的驱动下脱离炉胆(1)进入冷却室(3)，脱离过程中挡块(7)使挡板(6)脱离对孔洞的覆盖而使孔洞打开；冷却室(3)配置有气体循环冷却系统和抽真空系统。
2.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，移动支承板(4)的一端设有支撑于冷却室底面的支撑滚轮(10)，另一端位于支撑在冷却室(3)上的辊轴(11)上；移动支承板(4)的驱动机构包括支撑于冷却室(3)上且分别位于移动支承板(4)两端的支撑轴(12)，在冷却室(3)外部分别设有两个支撑轴(12)的旋转驱动机构，两个支撑轴(12)上分别固定有钢丝卷线筒(17)，钢丝(18)的两端分别缠绕在两个支撑轴(12)上的钢丝卷线筒 (17)上，同时，钢丝(18)与移动支承板(4)连接。
3.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，挡板(6)的四个角部开有卡孔(19)，四个角部的卡孔(19)由大圆孔和条孔构成，移动支承板(4)的底面固定有与卡孔(19)配合的卡紧螺钉(20)，卡紧螺钉(20)的端部直径小于大圆孔的直径但大于条孔的宽度。
4.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，挡板(6)的四个角部开有卡孔(19)，移动支承板(4)的底面固定有与卡孔(19)配合的卡紧螺钉(20)，挡板(6)一侧的两个角部的卡孔(19)为条状豁口，与条状豁口配合的卡紧螺钉(20)的端部直径大于条状豁口的宽度，挡板(6)另一侧的两个角部的卡孔(19)由大圆孔和条孔构成，与由大圆孔和条孔构成的卡孔配合的卡紧螺钉(20)的端部直径小于大圆孔的直径但大于条孔的宽度。
5.根据权利要求3或4所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，冷却室(3)内在移动支承板(4)的孔洞下方放置有接料桶(21)，与挡板(6)配合的挡块(7)固定于接料桶(21)的桶口边缘。
6.根据权利要求5所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，冷却室(3)内设有导轨，支撑滚轮(10)位于导轨上。
7.根据权利要求1或2所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，气体循环冷却系统由冷却风机(22)、带有冷却循环水进、出口和热风进口、冷风出口的热交换器(23)构成；冷却风机(22)的出风口经管路从冷却室(3)上部进入冷却室(3)，冷却室(3)下部有回风口，回风口经管路与热交换器(23)的热风进口连接，热交换器(23)的冷风出口与冷却风机(22)的进风口连接。
8.根据权利要求1或2所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散炉，其特征在于，扩散料盒(5)内从下至上用支撑栅栏或支撑网分隔为多层；扩散料盒(5)的底部设有插板槽，插板槽内插有插板(24)。
9.基于权利要求1所述扩散炉的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散方法，其特征在于，是由如下步骤实现的：
1）将成品的烧结钕铁硼永磁体摆入扩散料盒；
2）将重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末填满扩散料盒； RT是Dy、Tb、Ho的一种或多种任意比例的组合，M是Fe、Al、Cu、Ga一种或多种任意比例的组合；
3）扩散料盒被送入炉胆；
4）启动抽真空系统，建立1Pa～0.003Pa的真空度；启动加热装置，升温到700-950℃，进行渗透处理；
5）1-10小时后，将扩散料盒移出炉胆至冷却室；在移动过程中，扩散料盒中的重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末自动漏出扩散料盒，而实现烧结钕铁硼永磁体与重稀土合金RTM颗粒或重稀土氟化物RTF3粉末的分离；
6）将扩散料盒再次送入炉胆，在10-1--10-2Pa，温度650-950℃的环境下，进行扩散处理1-10小时；
7）将扩散料盒移出炉胆至冷却室；启动气体循环冷却系统，使工件冷却到50-200℃；
8）再次将扩散料盒送入炉胆，进行450--650℃、真空度10-1--10-2Pa的时效处理；
9）将扩散料盒移出炉胆至冷却室，启动气体循环冷却系统，使烧结钕铁硼永磁体风冷到100℃以下，而完成处理过程。
10.根据权利要求9所述的烧结钕铁硼永磁体表面扩散重稀土的扩散方法，其特征在于，步骤2）中重稀土合金RTM的RT的含量是75-100%，M含量是0-25%，重稀土合金RTM的颗粒大小在0.1-10mm；重稀土氟化物RTF3是DyF3、TbF3、HoF3的一种或多种任意比例的组合，重稀土氟化物RTF3粉末的粒度小于0.1mm。
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