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燒結釹鐵硼磁鐵的制備工藝第一環節原料配制

作者:創始人 日期:2021-07-07 人氣:1973

燒結釹鐵硼磁鐵主要包含以下五個生產環節:

  1. 原料準備(合金熔煉與澆鑄)

  2. 制粉

  3. 取向成形

  4. 燒結、熱處理

  5. 機械加工

一、熔煉

原料準備與合金制備這個環節開始。燒結磁體通常采用純金屬或中間合金作為原料,利用交變磁場在原料內產生渦電流的電磁感應加熱原理,在真空或惰性氣體環境下對原料進行中低頻感應熔煉,使原料加熱熔融,同時對熔體進行攪拌使其均勻化。稀土金屬的熔點在800~1500℃之間,Fe和Co分別是1536℃和1495℃,純B則高達2077℃,作為添加劑的一些高熔點金屬如:Ti、Cr、Mo或Nb等的熔點在1600~3400℃。考慮到稀土元素揮發量的抑制,熔煉溫度通常控制在1000~1600℃,高熔點元素靠稀土金屬熔液的合金化作用熔融,或者直接用高熔點元素的合金(通常是鐵合金)做原料,例如B-Fe(熔點~1500℃)、Nb-Fe(熔點~1600℃)合金等。為了確保熔煉-澆鑄的低氧環境,需要對熔煉和澆鑄爐體抽真空,并使爐內各零部件以及原材料充分放氣,真空水平通常要達到10-2~10-3,爐體在加熱前的升壓率(內部放氣以及外部漏氣)也需要控制在較低水平,如容量為1t的熔煉爐,升壓率應低于5×10-4~1×10-3 L/s。真空熔煉可以使熔融液體充分放氣,去除低沸點雜質和有害氣體元素,提高合金純度,但由于稀土金屬的蒸汽壓很低(低于1Pa),揮發損耗十分可觀,所以通常在熔煉過程中對爐體充入惰性氣體,提升環境氣壓來抑制稀土揮發,較為方便的是采用高純氬氣,一般情況下充到50kPa的水平。待合金熔液均勻化、排氣和造渣充分完成后,就可以進行澆鑄了。合金澆鑄是一個非常關鍵的過程,因為相的組成、結晶狀態和空間分布對燒結磁體的性能至關重要,合金鑄錠經歷了厚重的“炮彈”、20mm厚的“書本”、5mm的“煎餅”,目前發展到厚度僅0.3mm的速凝薄片,業內人士在避免成分偏析和雜相生成、合理分配富釹相分布等方面做出了多方努力。

熔煉頻率的選擇受制于感應熔煉的另一個重要作用—電磁攪拌,即利用熔融金屬液與交變磁場之間力的相互作用促進未熔融固體的熔化和已熔融金屬液的均勻化,電磁力的大小與電流頻率的平方根成反比,過高的頻率會削弱交變電源的電磁攪拌效果。實際生產中采用的頻段在1000~2500Hz附近,原料尺寸需要控制在100mm以下。


原料在坩堝內的碼放,要考慮到感生磁場和熔煉過程中溫度的空間分布,通常感應線圈繞在坩堝外側面,坩堝內側面磁場最強,向中心逐漸減弱,但坩堝側面、底面以及上開口又是熱量外泄的主要途徑,所以坩堝的下側面溫度居中,上層和底面中部溫度偏低,中間部分溫度最高。因此,裝料時宜將低熔點的小塊料較密實地放在堝底;高熔點料、大塊料放在中下部;低熔點的大塊料放在上部,且較松動以防搭橋。如今已普遍采用連續熔煉-澆鑄技術,原料通過加料艙陸續加入尚處于高溫的坩堝,為控制稀土材料揮發,通常先加入純鐵使其熔融,然后順序加入高熔點金屬或合金,最后加入稀土。

2、澆鑄

稀土二元或三元合金在緩慢(趨近平衡態)冷卻的條件下不可避免地生成α-Co或α-Fe相,它們的室溫軟磁特性將嚴重損傷磁體的永磁特性,必須通過快速冷卻來抑制其生成。

為達到所需的急冷效果,傳統的錠模澆鑄技術一直朝著降低合金錠厚度的方向努力。錠模澆鑄的優點是設備成本低、操作簡單,能滿足一般磁體生產要求,缺點是晶粒尺寸不均勻并往往有α-Co或α-Fe相析出。在低于合金熔點的溫度下對合金錠進行長時間熱處理,有助于消除α-Co或α-Fe相,但會造成富Nd相的積聚,不利于燒結磁體的晶界相優化分布。


為了進一步降低合金錠厚度,開發了類似攤煎餅的“圓盤-刮板”結構,使合金厚度達到1cm左右,但合金面積的增大給大容量熔煉爐的收料帶來了不小的麻煩。另一條有效的技術開發路徑則反其道而行之,從制備快淬Nd-Fe-B合金的極高冷卻速率出發,設法降低冷速來制備快冷晶態合金,被稱之為條片澆鑄或速凝薄片(strip casting或SC)的技術應運而生,它是將熔融合金通過導流槽澆到快速旋轉的水冷金屬輪上,得到厚度0.2~0.6mm、相組成和織構理想的合金薄片。條片澆鑄的合金結構中,富Nd相均勻分布和對α-Fe的抑制減少了總稀土含量,有利于獲得高性能磁體并降低磁體成本;不足之處是,由于富Nd相體積分數的減少,與采用錠模澆鑄生產的磁體相比,磁體脆性增加,后加工難度增大。


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