稀土永磁材料ppt课件

第三章、 稀土永磁材料的制备技术,稀土永磁材料的制备：熔炼、浇铸机械合 金化等 熔炼技术： 合金化或控制合金的结晶组织或制粉： 浇铸/机械合金化/熔体快淬法/气体雾化法/高频震荡雾化法,真空感应熔炼法 （最常用） 真空电弧熔炼法（多用于实验室研究） 真空热还原扩散法（近年来得到发展）,第一节、真空感应熔炼制备稀土磁性材料,真空感应熔炼原理 真空感应熔炼：利用电磁感应在金属炉料内产生涡电流，从而加热炉料并获得足够高的温度，使炉内多种金属或合金原料熔化，在熔融状态下通过原子扩散形成所需合金的过程 一、真空感应电炉设备 型号：ZG-0.01,ZG-0,025,ZG-0.05,电源输入系统 真空系统 感应电炉熔体,电炉设备组成：,1、电源输入系统 通常电源功率：300500kw/t 电源频率的选择：以熔池能得到充分的搅拌为依据 中小炉子的电源频率：14KHZ 2、真空系统 真空感应系统的选择依据：,熔炼室初抽时间和各闸阀隔离抽空所需时间 精炼期间气体排放量及真空度要求,时间要求,气体排放量,真空度要求,真空感应熔炼原理,二、感应电炉的工作原理,感应电炉的基本电路,电路结构： 启动开关、变频电源、电容器、感应线圈与坩埚 工作原理： 当交流电流流经铜线圈时，由于电磁感应使坩埚中的金属炉料产生电流，感应电流克服炉料电阻产生热量，从而使金属炉料加热和熔化。,1、交变电流产生交变磁场 交变电流通过螺旋形感应线圈 线圈所包围的空间和四周产生交变磁场 一部分磁力线穿透金属炉料，一部分穿透坩埚。 2、交变磁场产生感应电流 感应电动势：,交变电流频率，Hz,感应线圈的匝数,交变磁场的磁通量，wb,R金属炉料的有效电阻,感应电流：,3、感应电流转化成热能,t 通电时间，s,三、感应电炉的熔化特点,1、感应电流的分布特征 符合“集肤效应、邻近效应、圆环效应”，坩埚式感应电 流分布是这几种效应的综合。 集肤效应：交变电流通过导体时，电流密度由表面向 中心依次减弱，即电流有趋向表面的现象。 邻近效应：感应线圈中的交变电流与炉料导体中感应 电流的方向相反，在相互影响下使两导体中的电流在临近侧 面处聚集。 圆环效应：感应电流的最大电流密度出现在线圈导体 的内侧。,2、炉料的最佳尺寸范围 穿透深度：当电磁波从导体表面向内部传播时，经过距离d后，其值衰减到表面值的1/e，这段距离称为导体的穿透深度。 d1/ 通常炉料直径d=3-6倍的穿透深度。 最佳炉料尺寸与电流频率的关系。,3、坩埚内的温度分布及布料原则 温度分布图： 1-中温区 3-高温区 2、4-低温区 合理的布料原则：考虑料块尺寸及熔点与坩埚内温度分布相 适应,4、感应熔炼的电磁搅拌作用 电磁搅拌：感应电炉熔炼时，导电熔体在电磁 力的作用下处于不断搅拌中，这种现象称为电磁搅 拌。 形成原因： 图：感应炉坩埚内熔体的运动,电磁搅拌优点：有利于合金快速熔化和原子的扩散， 有利于熔体化学成分、温度的均匀和熔体的夹杂物上浮。 形成“驼峰”高度： H电磁力1/ 增强电磁搅拌方法： a、中频感应炉：H感应器H熔体 b、大容量电炉：增设辅助电源搅拌,四、真空熔炼过程的特点,大气条件下冶金缺点：a、金属易于氧化 b、金属熔池与空气作用 c、大气条件下抑制了有害元素的挥发 1、合金元素控制 稀土永磁合金在惰性气氛下熔炼过程： 装料 密封 抽真空 充氩气 升温 熔炼 浇铸 氩气保护的作用： a、隔断了氮气氧气等危险气体的进入。 b、减少了合金元素的挥发损失。 c、可不必使用高真空系统，缩短了抽真空的持续时间。,元素控制因素及机理： （1）、能严格控制合金中活泼元素，保证了合金的性能、质量及稳定性。 （2）、充氩气条件下，可有效减少合金的挥发损失。 2、 真空脱气 主要是去除合金中的H、N 氢、氮在合金中的溶解度：,H、N氢、氮在合金中的溶解度,3、夹杂物的防止 夹杂物：熔炼时，由于熔池表面低压条件和电磁搅拌力的作用 非金属杂质上浮 熔池表面形成一层膜，通称氧化膜。 夹杂物的防止： （1）减少污染源 （2）炉料应进行化学定量分析，以控制有害杂质含量，并经表面清理才能使用。 （3）控制炉子到预定的真空度和漏气速度、提高氩气纯度。,4、真空坩埚反应 熔炼条件下坩埚材料与合金液强烈作用 合金的又一污染源 例：刚玉坩埚、坩埚周围的MgO填充料 5、冷坩埚悬浮熔炼技术 一种以原料本身结晶的容壳为容器的晶体生长技术。 用于活泼金属、强磁性材料NdFeB及金属间化合物等的 熔炼。（示意图如下） 特点:(1)不受坩埚材料污染 (2)坩埚寿命长,第节、真空感应熔炼稀土永磁合金工艺,一、原材料的选择 原材料选择是保证合金成分的关键。 选择标准：一、使成分符合技术要求；二、控制原料带入的有害杂质,1、金属钕的选择： (1)、注意碳含量是否偏高 (2) 、少量Pr允许，其他稀土元素对磁性能不利 (3)、生产高性能NdFeB磁体要求： Ce/RE0.05% ; Nd/RE99.5% ; RE99.8% 2、金属钐的选择 目前金属钐是利用金属热还原法生产的，选择时注意Cl-是否超标。,3、工业纯铁的选择： DT1、ZDT2 精密合金、高温合金、粉末冶金用原料。 DT3、DT4 生产电磁元件的原材料,4、硼铁合金的选择 一种铝热法生产的：硼含量波动和偏析值3.1%4.5%，且成本高 另一种电炉法生产的：硼含量波动和偏析1.5%1.9% (较常用),二、原材料处理及配料,1、原料的表面处理 (1) 用真空密封包装或石蜡封装 (2) 钴用稀酸清除表面污渍 (3) 纯铁表面的锈蚀用抛丸机清除或机械切削法清除 2、原料块度的选择 (1)熔炼方法和装炉量决定块度的大小，应按要求剪切成块状。 (2) 熔炼NdFeB合金时，效果：硼铁硼粉 硼铁优点：成本低，易于加入，成分易控制，熔炼方便。 硼粉缺点：540870易氧化和发生喷射、挥发，成分不易控制。,3、配料计算 (1) 先将合金的摩尔分数换算成质量分数 (2) 实际用量=质量分数/原材料的纯度 例：计算配制100g的Nd16.5Fe76B7.5需要的Nd、Fe、B的质量？ （已知：MNd=144.24、MFe=55.85、MB=10.81，选用的原料：Nd:w(Nd) 99%;Fe:DT2,按纯铁计；硼铁：含硼20%，余下的为铁） 注：加料时加入量要稍大于理论量 （稀土元素一般过量35%）,三、坩埚的选择和准备 1、对坩埚的要求： 化学成分稳定、能耐高温、不与合金反 应、耐急冷急热性好。 熔炼稀土永磁材料通常用刚玉标准坩埚。 2、坩埚的准备 感应线圈：用方形或圆形紫铜管绕制，线圈匝与匝之间要有一定的距离，用绝缘支架隔离，防止短路打火。,3、坩埚的装制 感应线圈用木块垫平 坩埚底部平铺10mm厚的石棉水泥板 感应线圈内周及底部衬上玻璃丝做绝缘层 电熔镁砂+2%5%的粘合剂捣制炉衬 坩埚底部填充料分两层打结（每层厚2030 mm） 坩埚放入， 坩埚外侧间隙填充上电熔镁砂填充料，捣实 封口 石墨芯做发热体，给炉子通电进行感应加热，6001600烧结45h,降温1100 取出发热体。,四、真空感应熔炼工艺,步骤：装料 关真空室 抽气 预加热 充氩气 熔化 精炼 保温 浇铸 冷却 出炉 清炉 1、装料、 炉料码放整齐 符合布料原则 2、抽真空、充氩气 预抽至1.3310-2Pa 预热炉料（作用？） 当真 空度再次达到1.3310-2Pa时，停抽真空 充氩气50KPa 3、熔化、精炼 逐步加大功率（使炉料均匀加热防止搭桥） （当Nd熔 化下沉Fe等高熔点金属开始融化时）加大功率使炉料迅速 熔化 稍降功率开始精炼（保温35min,称静定） 加大 功率精炼2min，以加强电磁搅拌，保证合金均匀。,4、浇铸 熔炼后降低功率，熔体不再翻腾后停止送电 熔体 冷却到一定温度（不超过合金熔点200）进行浇铸 适 当时间冷却 空气送入真空泵 开炉取合金 熔炼时注意事项： (1) 检查冷却水是否接通; (2) 炉子停止工作后，还要通冷凝水30min; (3) 水压限定在200KPa ; (4) 防止坩埚开裂; (5) 油扩散泵工作时，不应破坏炉内真空.,第二节、熔体快淬法(MQ)和速凝法(SC)制备稀土永磁合金,该法的核心技术：将熔融合金浇铸到旋转的水冷金属辊轮表面，获得一定厚度的速凝合金薄片。 一、熔体快淬法制备NdFeB磁粉工艺,2、单辊熔体快淬,单辊快淬步骤：,感应线圈将坩埚内NdFeB 母合金加热熔化成熔体,通过气阀调节窄缝氩气压力将 熔体从坩埚下端的窄缝直接喷射 到高速旋转的紫铜辊表面,熔体被冷却并随铜辊的 旋转被甩出，成带状,紫铜辊的作用：其内部通冷却水冷却，可将喷射到其 表面的合金液以105106/s的速度 冷却并甩出,单辊法制得的薄带 厚度：3080um; 宽度：13mm; 长度：取决于坩埚容量,二、快淬磁各向同性NdFeB合金的结构与磁性能,影响快淬NdFeB合金的磁性能的工艺因素： 快淬速度（冷却辊的表面线速度，其对磁性能的影响最大）； 液体喷射压力； 喷嘴直径； 喷嘴与冷却辊表面的间距等。,当x=0.07，淬速v=1525m/s时磁性能最佳。 淬速过慢：晶化态合金，晶粒粗大，分布不均匀，永磁性差 淬速过快：非晶态合金，呈软磁性,(1)最佳淬速v=19m/s：得较高的磁能积(BH)m=111.4KJ/m3 (2)欠快淬速度下（v30m/s）：合金为非晶态，矫顽力几乎为零。,三、速凝法制备NdFeB 合金工艺,传统的金属模铸锭工艺，难以消除-Fe相。 速凝法的基本原理：将合金熔体浇铸到具有一定转速的 水冷铜辊上，在102104/s的冷速下形成厚度在0.0310mm的合金薄片。 组成：(装置图如下) 大的真空容器内：坩埚、中间包、旋转冷却辊、转 动冷却容器 外部：真空机组、中频感应电源,操作： 装料、抽真空、预热、充氩气，升温熔化 温度达到要求后，合金液以一定速度注入中间包 合金液从中间包喷射到以一定速度旋转的铜辊上，形成鳞片铸锭(SC) 铜辊旋转的同时将(SC)送到旋转的冷却容器中（避免SC之间的粘连 ）。,四、速凝磁各向异性NdFeB鳞片铸锭的显微结构,黑色相树枝状-Fe 白色相块状富Nd相 基体Nd2Fe14B相 1050退火4h后，-Fe有所减少，但富Nd相继续长大 速凝鳞片铸锭：仅有少量-Fe，富Nd 相沿2:14:1 相的片状 晶界均匀分布 2:14:1相柱状晶内部有若干个片状晶,说明了合金体内部有均匀分布的-Fe,第三节、真空热还原法制备稀土永磁合金,定义： 真空热还原扩散法(RD法)是用金属钙还原稀土氧化物，并与钴或铁等过渡金属相互扩散，直接制取稀土永磁合金的方法。 特点：制备的稀土永磁合金价格低廉。 一、还原扩散的基本原理 1、反应,(1) Sm-Co合金： Sm2O3+钴的氧化物（CoO、Co3O4等）还原， 还原剂：Ca、CaH2 (2) NdFeB 合金 Ca还原RE2O3 制取 反应温度10001300下，此反应的G=-850-750KJ/mol 2、Fe-Nd系还原扩散过程： 第一阶段：Nd2O3在易形成中间化合物的Fe粉周围被钙还原; 第二阶段：Nd穿过Fe17Nd2层到达该化合物和Fe核界面; 第三阶段：在界面的Nd和Fe粉反应生成Nd-Fe 化合物。,假设Nd通过合金相的扩散是速度控制环节，则：,是线性关系，说明稀土元素通过合金层的扩散是速度控制步骤。,可求出表观活化能E ：Nd-Fe为0，Sm-Co为150KJ/mol,二、原材料的准备,1、Sm2O3的物理化学性能： 白色略带淡黄色粉末， =8.347g/cm3, 熔点：2269，沸点：3780 ， 不溶于水和碱溶液，能溶于无机酸（HF、H3PO4除外）生成相应的盐，在空气中吸收CO2和水生成酸式碳酸盐。,2、Nd2O3的物理化学性质 浅紫色或浅蓝色粉末， =7.24g/cm3,熔点：2272，沸点：3780 ， 不溶于水和碱溶液，能溶于无机酸（HF、H3PO4除外）生成相应的盐，在空气中吸收CO2和水生成酸式碳酸盐。,3、Co2O3 黑灰色粉末 Co2(C2O4)3、Co(OH)3 Co2O3,煅烧,4、粉末粒子尺寸 (1) 粉末粒子尺寸越小，形成磁粉所需时间越短，扩散速度越快； (2) 扩散温度对RD粉末尺寸的影响,(3)制备SmCo5时，如使用Co粉，还与Co粉颗粒尺寸有关,5、配料计算 某一组分配入量=（配料总量质量百分数）/（纯度收率） 例题、已知Nd16.5Fe76B7.5合金中各组分的质量分数： Nd:35.49% Fe:63.36% B:1.21% 假定Nd、B组分的收率都为95%，计算配制100Kg合金所需要的原料量？,三、混料,1、基本概念及原理 混料：使各组分得以均匀分布的混合操作过程。 目的：为还原扩散反应创造良好的条件。 原理：把称量的各种原料装入混合机中，物料在外力作用下产生对流以及局部扩散和剪切运动达到混合的目的。 粉体在混合时有三种基本运动型式 ： (1)对流混合，粉粒子之间相对产生上下、左右移动； (2)扩散混合，粉粒子扩散到新出现的粉体面上； (3)剪切混合，粉体形成滑移面。,装置：,混料机实物图,2、混合过程：,混合初期(): 混合中期(): 混合后期():,3、混料时的注意事项 (1)分料 物料颗粒的粒度、密度、形状、粗糙度、休止角等物理性质的差异都会引起分料，其中以混合料的粒度和密度差影响最大。 分料现象的防止： 对有较大分料倾向的物料，应选用以对流为主的混合机； 控制各组分物料的平均粒径在工艺要求的范围内； 是密度相近的物料的平均粒度相近，密度差较大的物料使其 颗粒的质量相近； 运输中尽量减小震动和落差，缩短输送距离。,(2) 容器回转型混合机的最佳转速n (r/min),(3) 物料的装料比 装料比：装料体积与容器容积之比，Q/V。 水平圆筒混合机： Q/V =30%，混合速度系数有一极大值； V形和正立方体形混合机： Q/V 可达50%； 固定容器式混合机： Q/V 可达60%。 (4) 最佳混合时间,分析物料在混合机 中对流流动情况,推算物料进行循环 流动一次的时间,确定最佳 混合时间,物料循环一次的周期： T=Q/q Q装料量，m3; q循环对流流量 混合时间： t20T 注：混料时，Ca易在空气中氧化，最好在保护气氛下混 合，或者在混合后期加入Ca。 为防止分料和便于装料,应将混合均匀的炉料压成块。,四、还原扩散处理,装置：真空感应炉或电阻炉 工艺：在真空感应炉内还原时，操作同真空感应熔炼法（只 是温度和时间不同）； 在真空电阻炉内还原时，将混合料装入不锈钢容器 中，对容器抽真空充氩气后升温还原。 (1) 制备SmCo5典型工艺 850保温2h，1100 保温3h， 1160 保温2h。(此法不能制得高矫顽力的磁体) (2) Sm2Co17还原扩散处理 a、 b、,(3) NdFeB还原扩散 1200保温4h. 制得的Nd15Fe77B8合金含低共晶的富钕相， 富钕相存在和获得高矫顽力，但抗腐蚀性能差。,五、去除氧化钙和钙,方法：水磨法和化学法,生产中一般用水磨法： 工艺：,还原扩散产物 经冷却后出炉,压碎放入 球磨罐,水做介质 进行磨粉,细磨制取 磁粉,低于50 下干燥,弱的醋酸 洗涤,第四节、稀土永磁合金制粉原理和技术,制粉技术：机械球磨制粉、气流磨制粉（粉末冶金中学习）、 HD和HDDR法制粉（重点介绍） HD（Hydrogen decrepitation） HDDR(氢化/歧化/脱氢/重组) 对稀土永磁合金粉的要求： (1) 粉体的粒度应能使烧结后磁体的矫顽力和密度达到良好的配合； (2) 粒度分布要窄 ； (3) 保证所有的磁粉颗粒都是单晶体； (4) 磁粉颗粒要呈球状或近似球状，表面光滑且晶体缺陷尽量少； (5) 粉体表面吸附的杂质和气体要尽可能少 。,一、HD法制粉技术,1、H和RE-TM（稀土过度族）化合物的相互作用 （1）方程式： Nd2Fe14B+1/2xH2=Nd2Fe14BHxH1 Sm2Fe17+1/2xH2=Sm2Fe17HxH1,向右：吸氢反应（氢化反应），H0，吸热 表面氧化的NdFeB： 吸氢反应的扩散激活能59.5kJ/m 新鲜表面或氢化后的NdFeB：吸氢反应的扩散激活能 20.4kJ/mol,(2) 氢化反应的差热（DTA）热重（TG）分析,DAT第一个放热峰：Nd2Fe14B和富钕相的吸氢峰 温度：50左右 焓变：-57.2KJ/mol 相应TG分析：从室温100，x从14 DAT第二个放热峰：Nd2Fe14BHx的吸氢反应，实质是Nd2Fe14B相的分解 焓变：-53.3 KJ/mol 温度：650 DG：x达到5及以上，生成了NdHy,(3) 脱氢反应 实验发现： 1000以下氢化的Nd16Fe77B7合金要形成两种氢化 物：Nd2Fe14BHx和NdHy。 抽真空加热时脱氢也分两个阶段进行： 先Nd2Fe14BHx脱氢后NdHy脱氢 2、HD处理过程和HD磁粉 (1) 处理过程：,合金去除 表面氧化层,装入不锈 钢容器,抽真空至 10-2Pa以下,充入高纯氢气(一般 99.999%)至105Pa,氢爆： (Hydrogen decrepitation)合金锭吸氢后形成氢化物使 合金爆裂。（是由于稀土化合物吸氢后的体积膨胀） 氢化后产生内应力 当内应力断裂强度时，发生爆裂。 Nd16Fe77B7合金各相的氢化爆裂顺序： 富钕相(引起晶界断裂)Nd2Fe14B(引起晶间断裂),(2) 饱和吸氢量的影响因素 a、氢压的影响：压力越大饱和吸氢量越多。 eg、(Nd0.935Dy0.065)14.5Fe79.7B6.1 T=293K，0.6MPa氢压下，饱和吸氢量：48ml/g，活化时间：5min T=293K，0.1MPa氢压下，饱和吸氢量：10.8ml/g，活化时间：10min b、NdFeB合金中富钕相的影响：,RE含量，富稀土相吸氢量增加，为Nd2Fe14B相提供更多的吸氢通道，所以活化t,(3) 脱氢量,300时脱氢量31%，主要是Nd2Fe14BHx脱氢 400时脱氢量43%，Nd2Fe14BHx相脱氢完全 600时脱氢量54%，剩余的氢主要存在于富钕相中,b、最佳脱氢量 600下抽真空脱氢到0.1MPa，制粉、烧结所得永磁体磁性较高。 过多脱氢：磁粉较易氧化，氧含量高，磁性下降 不脱氢或脱氢过少：则烧结过程中脱氢，磁体产生裂纹,3、氢化制粉工艺及设备,(1)设备,(2)工艺：,合金鳞片/破碎 后的合金小块 放入真空反应罐,抽真空,通入0.2 MPa的氢 气活化,将反应罐转移 到预先加热至 200的活化炉,反应罐转移至 吸氢炉，吸氢 完成，关氢气,反应罐转移 至预热至 500的脱氢炉,抽真空 脱氢,关真空系统 ，通氩气,反应罐转移至冷却 槽内，冷却至室温,HD+JM(气流磨)连用技术生产NdFeB永磁合金粉体： HD处理后是45355um的颗粒， 多次吸放氢可降低至10um下 进一步气流磨可粉碎至34um 3、此法优点： 1) HD法可直接将合金锭破碎到0.325mm(60目)以下，以便直接进入气流磨，简化了工艺，降低了粗破碎的成本； 2) 克服了机械破碎合金的某些困难，特别是在合金锭中有-Fe存在的情况下； 3) HD粉是十分脆的氢化物，可缩短JM的时间和提高效率； 4) HD+JM氢化物磁粉仍然具有各向异性，可在磁场中取向成型； 5) HD+JM粉末压结体在真空炉中烧结时，炉中具有氢气作为还原气氛，减少了炉料的氧化； 6) 在1000以上可将产品中的氢全部脱出。,4、磁体性能,AM-机械球磨法,B优于A， 原因：采用机械破碎后，部分富钕相仍然存在于颗粒内部，不能充分发挥富钕相的液相烧结作用，导致B的磁能积和密度都高于A B优于C， 原因：C磁体的密度、取向度均不如B磁体的高 采用SC+HD+JM工艺可保证每一个粉末颗粒都是单晶体，并且每一个粉末颗粒表面都有富钕相薄层，保证了烧结过程完全是液相烧结。,二、HDDR法制粉技术,1、NdFeB各向同性粘结磁粉的HDDR处理,工艺： 将NdFeB合金铸锭装入不锈钢容器抽真空至10-2Pa通入高纯氢气至105Pa左右升温加热(合金发生HD反应)加热到650900保温一段时间(使合金锭完全发生歧化反应)抽真空至210 Pa(脱氢)在650900 保温一段时间(再化合) 此工艺过程即为氢化-歧化-脱氢-再化合反应，即HDDR反应。,(2) 原理,(3) 磁体性能 特点： 得到的磁体矫顽力高 如果将NdFeB合金铸锭直接破碎成细小粉末，其矫顽力很低，一般160kA/m; NdFeB的HDDR磁粉其矫顽力可达1.194MA/m 目前HDDR工艺已成为生产高矫顽力NdFeB磁体的重要方法。,(4) 影响HDDR磁粉性质的因素 1) Nd2Fe14B主相与歧化温度范围的关系(确定歧化时间),可见： 随Nd2Fe14B主相体积分数的 歧化温度范围； 即在一定得加热速度下，合金成分中主相越多完成歧化所需的时间 t 越长。,2) 歧化温度与晶粒尺寸的关系（确定歧化温度）,可见： 对于不同状态的磁体，当其晶粒尺寸10um时， 随晶粒尺寸其歧化温度T,3) 磁性能与再化合温度的关系,可见： NdFeB合金在870歧化60min， 然后在740780之间进行再化合处理，HDDR粉具有较高的Hcj 在820进行再化合处理时，其Hcj显著降低,4) 磁性能与再合化时间的关系,可见： 再合化处理4060min可获得较高的Hcj，随着t，Hcj有所,5) 加热速度与矫顽力的关系,可见： 当加热速度为4050/h时，可获得较高矫顽力，当加热速度200/h时，其矫顽力显著降低。,显微结构观察表明： 在780再化合90min，已观察不到-Fe和Fe2B，说明化合反应已完成，大部分是细小的Nd2Fe14B晶粒， 随着再化合处理的时间t，晶粒长大不显著； 随着再化合处理的温度T，晶粒反常长大，导致了矫顽力的显著下降。,2、NdFeB各相异性粘结磁粉的HDDR处理,区：Nd2Fe14B+H2相的稳定区 区：歧化产物NdH2+Fe+Fe2B+H2的稳定区 区：Nd2Fe14B+H2相的亚稳定区。 工艺路线： ABCD与DCBA 所得产物的形貌及组织结构有所不同 850再化合形成Nd2Fe14B，G0，Co、Ga加入使 G ,(1) 工艺,Q氢气流量（单位：cm3/min）； 合金：Nd12.2Fe81.8-xCoxB6.0,特点： HD处理时略去了600以下的氢爆反应 DR处理时其脱氢过程是缓慢进行的 相当于： 区 区 区,(2)Br和Hcj与DR处理时间的关系,可见： 该合金经HD处理后，随DR处理时间 t 的,Br 例： 当x=0时，DR处理温度为950，时间20min时，Br达1.4T 当x=17.5，DR处理温度为850，时间10min时，Br为1.25T 均具有很高的各向异性,(3)日本爱知制钢公司发展的AAM工艺（也称为d-HDDR工艺） 1) 工艺： 此工艺有四个阶段组成,第一阶段：PH2=0.1MPa，温度约 为10200 此NdFeB 主相吸收 H2的过程，形 成Nd2Fe14BHx 第二阶段：PH2=0.010.25MPa， 温度约为820 此时Nd2Fe14BHx歧化为三个 相(NdH2+-Fe+Fe2B) 第三阶段：温度维持在820，抽 真空使PH2=1.05.0KPa 脱氢阶段 第四阶段：温度维持在820，抽 真空使NdH2+- Fe+Fe2B三个相再化合 为Nd2Fe14BHx,2) 第二阶段中氢压对磁粉各相异性的影响,可见： 随氢压的，Hcj逐步，剩磁和磁能积都是先后，在P=0.02MPa时达最大； 说明： 歧化阶段的氢压对NdFeB磁粉的各向异性的形成起关键作用，而且获得最佳磁性能的氢压PH2范围较窄。,1、何谓氢化反应，何谓歧化反应？ 2、简述HD处理过程和工艺条件？ 3、试比较NdFeB各向同性和各向异性磁粉的HDDR的处理过程有何异同？ 4、真空感应电炉有哪几部分组成？电源输入系统和真空系统的选择主要考虑哪些问题？ 5、简述感应电炉的工作原理。感应电流如何分布？坩埚内温度如何分布和如何布料？,1、何谓氢化反应，何谓歧化反应？ 在一定的温度和氢压下，氢与许多金属或金属间化合物 反应生成金属氢化物的反应即为氢化反应。例如对Nd2Fe14B合 金，化学反应方程式为： Nd2Fe14B+1/2xH2=Nd2Fe14Bx 一个化学反应中同种元素的价态既升高又降低的反应即 为歧化反应. 对Nd2Fe14B合金： Nd2Fe14B+(2x)H2=2NdH2x+12Fe+Fe2B 2、简述HD处理过程和工艺条件？ 处理过程： 合金去除表面氧化层装入不锈钢容器抽真空充入高纯 氢气 条件： 抽真空要抽至10-2Pa以下 充入高纯氢气纯度要求一般99.999%)至105Pa,3、试比较NdFeB各向同性和各向异性磁粉的HDDR的处理过程有何异同？ 不同点： 用HDDR法制备各向异性磁粉时，HD处理时略去了600以 下的氢爆反应；DR处理时其脱氢过程是缓慢进行的。 相同点： 都经历了都经过了吸氢、歧化、脱氢、在化合的过程。 4、真空感应电炉有哪几部分组成？电源输入系统和真空系统的选择主要考虑哪些问题？ 组成：电源输入系统、真空系统、感应电炉熔体 电源输入系统的选择：依据熔池能否得到充分的搅拌（频率，溶化速率，但电磁搅拌力），通常电源功率：300500kw/t，中小频率的电源频率一般14kHz 真空系统的选择：考虑熔炼室初抽时间和各闸阀隔离抽空所 需时间精炼期间气体排放量及真空度要求,5、简述感应电炉的工作原理。感应电流如何分布？坩埚内温度如何分布和如何布料？ 原理：当交流电流流经铜线圈时，由于电磁感应使坩埚中的金属炉料产生电流，感应电流克服炉料电阻产生热量，从而使金属炉料加热和熔化。 电流分布：符合“集肤效应、邻近效应、圆环效应”，坩埚式感应电流分布是这几种效应的综合。 集肤效应：交变电流通过导体时，电流密度由表面向中心依次减弱，即电流有趋向表面的现象。 邻近效应：感应线圈中的交变电流与炉料导体中感应电流的方向相反，在相互影响下使两导体中的电流在临近侧面出聚集。 圆环效应：感应电流的最大电流密度出现在线圈导体的内侧。,温度分布图： 1-中温区 3-高温区 2、4-低温区 合理的布料原则：考虑料块尺寸及熔点与坩埚内温度分布相 适应 大块、低熔点的料装在上部，装料要松动 小块、高熔点的料装在中下部，装料要密实 料块靠近而不卡死，防止搭桥,第五节、某些稀土磁性材料的制备技术,永磁材料的制备流程： 合金熔炼（真空感应熔炼法/快淬法/速凝法等）粉末冶金法 把合金制成粉末（机械球磨/气流磨/HD/HDDR）粉末在磁 场下取向制成坯料将坯料在合金特殊性温度和保护气氛中 烧结烧结块在高磁场下进行充磁，使磁畴有序化得永磁 材料 一、稀土钴永磁材料的制备 目前的制备方法：合金熔炼法和还原扩散法 1、合金熔炼法 工艺流程：,1) 合金熔炼 按Sm:Co = 1:5(Sm的成分一般过量16.85%17.04%， 由于Sm易氧化Sm2O3)将金属衫和金属钴在电弧炉或感 应炉熔炼，便可获得SmCo5成分的合金。 2) 制粉 将熔炼好的SmCo5合金+适量的富衫的合金相加入有 保护介质的研磨机中磨成规定粒度的颗粒 3) 取向压制 在12T磁场将合金粉末在等静压(510t/cm3)下压制成 所需形状，并使磁畴按磁场方向排列。 4) 烧结和均匀化处理 烧结条件：温度11401160，时间30min 热处理条件：900950 5) 充磁 在高磁场下(3T)下充磁。(烧结后的合金没有磁性),2、还原扩散法 定义： 真空热还原扩散法(RD法)是用金属钙还原稀土氧化物，并与钴或铁等过渡金属相互扩散，直接制取稀土永磁合金的方法。 特点： 省去了RE2O3RE工序，制备的稀土永磁合金价格低廉。 工艺流程：,1）还原温度下CaH2分解,2）Ca在Co参与下还原Sm2O3,3）Sm高温下扩散与Co作用SmCo5,总方程式：,如果部分使用氧化钴，则：,或者直接用Ca做还原剂,上述方法制得的钐钴粉末取向和压制烧结充磁 得永磁体,二、钕铁硼永磁材料的制备,钕铁硼材料的制备方法：真空熔炼法粉末冶金法、还原 扩散法、熔体快淬法、速凝法等。 一、粉末冶金烧结法 工艺流程（下图）,Nd、 Fe、Fe-B合金Ar气保护下按一定配比在真空感应炉 中熔炼 浇铸至水冷铜模中，得柱状晶 制粉 磁取 向和压制得压结的坯体 保护气氛下烧结、热处理 充 磁得NdFeB永磁体。 1）配料和原料选择 配料：按Nd2Fe14B原子量配比，易挥发的组分适当增加 加入量 原料选择：尽量提高纯度、减少有害杂质 2）冶炼和铸锭 力求生成晶粒细小的柱状晶（理想尺寸35um），富钕 相沿晶界分布，防止出现大块富钕相和-Fe,3）制粉与压制成型 磁粉颗粒尺寸要小(35um)，外形呈球状或椭球状，不 规则颗粒及缺陷少，磁粉颗粒表面吸附的杂质和气体少，避 免氧化。 为提高磁粉质量，常采用气流磨制粉 在定向磁场取向条件下，压制成型 ，取向磁场一般应大 于1.5T，等静压的压强大，可提高磁体的密度和均匀性。 4）烧结和热处理 烧结温度一般应控制在10701080。温度偏低时，液 相烧结不充分，磁体不能充分致密化。烧结温度过高时，会 导致晶粒长大，使矫顽力降低。 为了消除应力、改善显微组织，冷却后的磁体需要进行 退火处理,三、钐铁氮永磁体的制备,Sm-Fe-N系永磁体目前还未实现商品化，其综合性能较好，特点： 具有可与Nd-Fe-B永磁体想媲美的优异的永磁性能 居里温度TT(Nd-Fe-B)，更适于对磁稳定性要求较高的应用领域。 是很具发展潜力的新一代永磁材料。 目前的工艺研究主要是通过合理调节材料成分、充分挖掘 潜在磁性、寻求适当的制备方法，优化其磁体制备工艺。,衫铁氮650以上会发生如下分解： 不能采用传统方法制备磁体，制备步骤一般： 首先制备单相的Sm2Fe17化合物对Sm2Fe17化合物进行氮 化处理，生成Sm2Fe17Nx 方法：机械合金化法、快淬法、粘结法、还原扩散法等 1、机械合金化法 将Sm和Fe金属粉末用机械合金化法制得Sm2Fe17合金 经650800退火 在400550下氮化处理 得Sm2Fe17N2.3 粉末在室温下冷压成永磁体 （这种磁体的居里温度提高到了749K，各向异性场达到14T （约为NdFeB化合物的2倍），饱和磁化强度提高到1.54T，理 论最大磁能积与NdFeB化合物的相当。）,2、还原扩散法 用Ca还原Sm2O3成Sm Sm与Fe的互扩散得Sm2Fe17 合金 用蒸馏水清除含有的大量CaO和未反应的Ca用醋 酸或EDTA洗涤 干燥分选 氮化处理 Sm2Fe17Nx 方程式： Sm2O3+17Fe+3CaSm2Fe17+3CaO 工艺流程图：,3、软金属粘结法 将粘结剂和SmFeN金属粉末混合，在磁场下冷压成型 在接近于粘结金属熔点附近的温度下热处理 制得磁性 很好的钐铁氮永磁体。 熔点低的金属Sn、Bi、Zn和Al都可以作为软金属的粘结 剂,钐铁氮永磁体制备中目前研究方向： 1、添加价格低廉、储量丰富的稀土元素(如Nd、Ce、Y等) 来部分取代Sm（Sm稀少且价格昂贵） 替代可能会不同程度的降低其磁性能 2、RE-Fe与第三元素M(M=Ti、Co、V、Cu、Mo、W、Si等)能形成金属间化合物，磁性能降低不多，有的反而提高(如Co) 是改善Sm2Fe17Nx的硬磁性能、稳定结构的重要途径 3、添加C，以形成新型Sm2(Fe,M)17-C或Sm2(Fe,M)17-C(C,N)合金 4、改进和创新稀土永磁的制备方法和工艺,表：不同方法制备的部分Sm-Fe-N系稀土永磁体磁性能,四、稀土超磁致伸缩材料的制备,稀土超磁致伸缩材料是稀土铁金属间化合物 目前生产和应用的主要是棒形材料 一般的制备流程： 原料的净化处理 制备稀土铁母合金 形成多晶棒材 和取向棒材或单晶棒材 热处理和成型加工 1、稀土铁母合金的制备 (1) 真空熔炼法 工艺： 纯度3N以上的稀土金属Tb/Dy和Fe按比例混合 置 放于真空电阻炉或真空感应炉中 抽真空 升温熔炼 要求： 为保证成分均匀，需反复熔炼多次（Tb/Dy和Fe生成中间合金后，粘度，流动性） 要求高真空，瓶装气体要进一步干燥除湿和高温脱O、N,(2) 燃烧还原法 工艺： TbF3/DyF3+Fe+Ca，按比例混合 升温发生热还原反应 反应产生热量，