（机械制造及其自动化专业论文）烧结ndfeb永磁材料加工新技术及机理研究.pdf

摘要 烧结n d f e b 永磁材料加工新技术及机理研究 摘要 烧结n d f e b 是第三代稀土系永磁材料，是当今磁性能最好的永磁材料。由 于在制模和烧结过程中无法保证工件所要求的形状和尺寸精度，烧结后必须进行 成型加工，磨削和电火花线切割加工是目前常用的加工方法。烧结n d f e b 永磁 材料硬度高、脆性大，属于难加工材料，这两种方法很难获得让人满意的加工效 率和质量。本文在深入研究其力学性能和断裂行为的基础上，提出了超声振动一 脉冲放电一磨削三元复合加工方法，并进行了一系列的试验研究，探寻超声振动 和脉冲放电对磨削的影响规律以及各加工参数对加工效率和加工表面质量的影响 规律。 试验研究了烧结n d f e b 永磁材料的抗弯强度和断裂韧性。抗弯试验和动态 拉伸试验表明磁体在断裂之前几乎完全处于弹性形变状态，不存在塑性耗散，其 断口均为脆性沿晶断口，类似于脆性陶瓷材料的断裂行为；用压痕断裂力学对烧 结n d f e b 在p a l m q v i s t 压痕载荷模式下的固有缺陷临界尺寸进行了计算，并用损 伤理论解释了为什么计算结果要比合金的晶粒尺寸高出一个数量级，该理论认为， 当缺陷密集分布区的当量裂纹尺寸达到临界值时，烧结n d f e b 磁体以总体损伤 模式形成瞬间断裂。 对烧结n d f e b 永磁材料的电火花成型加工进行了试验研究，根据压痕断裂 力学理论建立了脆性材料电火花加工中的微破碎材料去除模型。研究表明，烧结 n d f e b 材料的蚀除是熔化气化抛出和热应力微破碎共同作用的结果，采用大峰值 电流、长脉冲宽度加工时，热应力微破碎为主要的材料去除方式，加工效率高， 但表面粗糙度大；采用小脉冲能量加工时，材料主要以熔化、气化抛出方式去除， 加工表面质量高。电火花加工对烧结n d f e b 永磁材料具有表面改性作用，熔融 材料快速冷却时形成的非晶态合金，具有硬度高、耐腐蚀、软磁性能好等特点。 单磨粒磨削试验结果表明，烧结n d f e b 永磁材料以磨粒冲击作用导致的脆 性微破碎方式去除，冲击裂纹的进一步扩展致使磨痕边界出现脆崩区，而不是出 现在磨削塑性材料时产生的隆起；研制出工件超声振动的装夹系统，并研究了径 国家自然科学基金资助项目( 项目编号：5 0 2 7 5 0 8 7 ；5 0 5 7 5 1 2 7 ) 山东大学博七学位论文 向振动和切向振动两种超声施加方式对加工效果的影响，试验表明，径向超声振 动使法向磨削力的降低最明显，材料去除率最高；切向超声振动中法向磨削力有 所降低，但切向磨削力急剧升高，导致烧结n d f e b 永磁材料的磨削力比达到了 磨削塑性金属材料的效果；径向超声振动磨削具有较高的材料去除率和较差的加 工表面质量，适合于工件的粗加工，切向超声振动磨削使烧结n d f e b 永磁材料 可磨削性提高，可以获得较高的表面质量，适合于工件的精加工。 提出了脉冲切削理论和工件软化效应理论，指出超声振动引起的脉冲切削机 制、工件软化效应以及超声润滑效应是磨削力降低的主要原因；建立了两种超声 振动磨削中磨粒的运动学模型，该模型解释了径向振动磨削和切向振动磨削不同 的加工机理。 研制了超声振动一脉冲放电一磨削三元复合加工设备，并进行了加工试验研 究。c b n 是放电磨削复合加工烧结n d f e b 永磁材料的首选磨料；脉冲放电的施 加导致加工材料去除率降低，其原因是脉冲放电遏制了磨削微裂纹的产生和扩展； 另一方面，脉冲放电提高了加工表面的质量，磨削裂纹尖端的放电起到了消除应 力集中的作用；脉冲放电在线修整砂轮具有良好的可控制性和修整精度，通过调 整脉冲电流和脉冲电压可以控制修整的速度和精度；不用其它附加设备即可随时 修锐砂轮，并且不会影响工件的加工精度。 建立了烧结n d f e b 永磁材料的分阶段复合加工工艺，在恒压力磨削加7 - 中， 按照从粗到精的加工顺序，先用超声振动磨削加- i - 去除材料，最后用放电磨削加 工进行磨削损伤修复和表面改性，可以兼顾加工效率和加工表面质量。 关键词：烧结n d f e b ；力学性能；超声波；脉冲放电：磨削；复合加工 i i a b s t r a c t s t u d yo nt h en e wm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s m o f s i n t e r e dn d f e bm a g n e t a b s t r a c t s i n t e r e dn d f e - bi st h et h i r dg e n e r a t i o np e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l ，a n di th a s t h em o s te x c e l l e n tm a g n e t i cp r o p e r t i e si nt h ee x i s t i n gp e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l s i t i sh a r dt oe n s u r et h e r e q u i r es h a p ea n dd i m e n s i o np r e c i s i o no fw o r k l 口l i e c ei n t h e p r e d i c t i n gp r o c e s so fs i n t e r e dn d f e bm a g n e t ，s oi ts h o u l db es h a p em a c h i n e da f t e r s i n t e r i n g a tp r e s e n t ，t h ec o m m o nm a c h i n i n gm e t h o d sf o rt h i sm a t e r i a li sg r i n d i n go r w e d m s i n t e r e dn d f e bm a g n e ti sak i n do ft y p i c a ld i f f i c u l t t o - m a c h i n em a t e r i a l w i t hh i t g hr i g i d i t ya n db r i t t l e n e s s ，a n dt h es a t i s f y i n gm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dm a c h i n e d s u r f a c eq u a l i t yc a n n o tb eo b t a i n e du s i n gt h ea b o v e p r o c e s s e s t h ec o m p o u n dm a c h i n i n g m e t h o do fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n e l e c t r i cd i s c h a r g e g r i n d i n g ( u e g ) i sp u tf o r w a r di nt h i s r e s e a r c hw o r k , a n de x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e db a s e do nt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo f s i n t e r e dn d i c e - - bt os e e kf o rt h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n de l e c t r i cd i s c h a r g e o nt h eg r i n d i n gp r o c e s s b e n d i n gs t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s so fs i n t e r e dn d - f e bm a g n e tw e r es t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h e r ew a sn o n ee v i d e n c eo fp l a s t i c d e f o r m a t i o nb e f o r et h em a g n e tf r a c t u r e l i k et h er u p t u r eo fc e r a m i cm a t e r i a l , t h e f r a c t u r es e c t i o nw a sa nb r i t t l e n e s sr u p t u r e a l o n gc r y s t a lb o u n d a r y t h ec r i t i c a l d i m e n s i o no f n a t i v e d e f e c ti ns i n t e r e dn d f e - bm a g n e tw a sc a l c u l a t e du n d e rt h e p a l m q v i s ti m p r e s s i n gl o a dm o d ei nf r a c t u r em e c h a n i c s t h er e a s o nw h y t h ec a l c u l a t i o n r e s u l tw a sh i g h e rt h a nt h eg r a i nd i m e n s i o nw a sg i v e nu s i n gt h ed a m a g em e c h a n i c s t h e o r y a c c o r d i n g t ot h et h e o r y , s i n t e r e dn d - f e bm a g n e tw o u l d m o m e n t a r i l yr u p t u r ei n t h ec o l l e c t i v ed a m a g em o d e w h e nt h ee q u i v a l e n tc r a c kd i m e n s i o n sa r r i v e da tt h ec r i t i c a l v a l u e t h ee l e c t r i cd i s c h a r g ep r o f i l em a c h i n i n ge x p e r i m e n to fs i n t e r e dn d f e - bm a g n e t p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a m r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o ：5 0 2 7 5 0 8 7 ；5 0 5 7 5 1 2 7 ) i i i 山东大学博卜学位论文 w a sc o n d u c t e d ，a n dt h em a t e r i a lr e m o v a lm o d eo fb r i t t l em i c r o f r a c t u r ew a sc r e a t e d t h r o u g hi m p r e s s i n gf r a c t u r em e c h a n i c s t h er e s e a r c hi n d i c a t e d ，t h em a t e r i a lr e m o v a l w a st h er e s u l t so fm e l tg a s i f i c a t i o na n dt h e r m a ls t r e s sm i c r o f r a c t u r e t h e r m a ls t r e s s m i c r o f r a c t u r ew a st h em a i nm a t e r i a lr e m o v a lm o d ew h e nu s i n gh i g h e rc u r r e n ta n d l o n g e rp u l s e o n t i m e ，a n di tw o u l dl e a dt oh i g hm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n db a ds u r f a c e r o u g h n e s s ，w h i l ea d o p t i n gs m a l l e rp u l s ee n e r g y , t h em a i nm a t e r i a lr e m o v a lw a sm e l t g a s i f i c a t i o n w h i c hw o u l dc a u s et h eb e t t e rs u r f a c er o u g h b e s s 1 1 l ee l e c t r i cd i s c h a r g e m a c h i n i n gh e l p e dt oc h a n g et h es u r f a c ep r o p e r t y , a n dt h em e l t e dm a t e r i a lw i l lf o r m n o n c r y s t a la l l o y , w h i c hh a sh i g hr i g i d i t y , s o f tm a g n e t i s ma n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h es i n g l e g r a i nc u t t i n ge x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i n d i c a t e dt h a tm a t e r i a lr e m o v a lo fs i n t e r e dn d f e - bm a g n e ti sm i c r o f r a c t u r ec a u s e db y t h ei m p a c to fg r a i n ，a n dt h ee x t e n d i n go fm i c r oc r a c kl e a dt of r i a b i l i t yc o l l a p s e ，n o tt h e a p o p h y s i sw h e ng r i n d i n gp l a s t i cm a t e r i a l t h ew o r k p i e c eu l t r a s o n i c a l l yv i b r a t i n g s y s t e mw a sd e v e l o p e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fr a d i a la n dt a n g e n t i a lv i b r a t i o no nt h e g r i n d i n gp r o c e s sw a sa l s os t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e d ，t h en o r m a lg r i n d i n g f o r c er e d u c e dg r e a t l ya n dm m ri n c r e a s e di nr a d i a lv i b r a t i o na s s i s t e dg r i n d i n g , w h i l e t a n g e n t i a lf o r c eb e c a m el a r g e rr a p i d l yt h o u g hn o r m a lf o r c er e c e d e di nt a n g e n t i a l v i b r a t i o na s s i s t e dg r i n d i n g a sar e s u l t ，g r i n d i n gf o r c er a t i or e a c h e dad e g r e et h a to n l y o c c u r r e di nt h e 鲥n d i n go fp l a s t i cm a t e r i a l s f o rh i g h e rm a t e r i a lr e m o v a la n dw o r s e s u r f a c eq u a l i t yw o u l db eo b t a i n e d ，t h er a d i a lv i b r a t i o na s s i s t e dg r i n d i n gi sf i tf o rr o u i g h m a c h i n i n g w h i l eb e t t e rs u r f a c eq u a l i t yw o u l db ea t t a i n e d , t h et a n g e n t i a lv i b r a t i o n a s s i s t e dg r i n d i n gi ss u i t a b l ef o rf i n i s hm a c h i n i n g p u l s ec u t t i n gt h e o r ya n dw o r k p i e c ei n t e n e r a t i n gt h e o r yw e r ep u tf o r w a r d ，w h i c h p o i n t e do u tt h a tt h em a i nr e a s o n sf o r 鲥n d i n gf o r c er e d u c i n gw e r ep u l s ec u t t i n g , w o r k p i e c ei n t e n e r a t i n ga n du l t r a s o n i cl u b r i c a t i n ge f f e c t k i n e m a t i c sm o d e l si nt h et w o u l t r a s o n i cv i b r a t i o n g r i n d i n g w e r ef o u n d e d ，w h i c hs h o w e dd i f f e r e n t m a c h i n i n g m e c h a n i s mb e t w e e nt h et w oc o m p o u n dp r o c e s s e s t h ee q u i p m e n tf o ru e gc o m p o u n dm a c h i n i n gw a sd e v e l o p e d c b nw a st h e p r e f e r r e dg r i n d i n gg r a i nf o rt h ee l e c t r i c 鲥n d i n gp r o c e s s t h em a t e r i a lr e m o v a lb e c a m e l o w e rw h e ne m p l o y i n ge l e c t r i cd i s c h a r g e ；t h er e a s o nw a st h a tt h ep u l s ed i s c h a r g e a b s f f a c l r e s t r a i n e dt h eg e n e r a t i n ga n de x t e n d i n go fm i c r oc r a c k o nt h eo t h e rh a n d ，p u l s e d i s c h a r g ei m p r o v e ds u r f a c eq u a l i t ya n de l i m i n a t e dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i n g t h em e t h o d o fp u l s ed i s c h a r g eo n - l i n es h a p i n gg r i n d i n gw h e e lw a sp r o v i d e dw i t hw e l lc o n t r o l l a b l e c a p a b i l i t ya n ds h a p i n gp r e c i s i o n , t h es h a p i n gv e l o c i t ya n dp r e c i s i o nc o u l db ec o n t r o l l e d t h r o u g ha d j u s t i n gp u l s ec u r r e n ta n dv o r a g e t h i ss h a p i n gm e t h o dc o u l dw o r ka ta n y m o m e n tw i t h o u ta n yo t h e re q u i p m e n t m o r ei m p o r t a n t ，t h i sm e t h o dw o u l dn o ta f f e c tt h e m a c h i n i n gp r e c i s i o n t h es t a g em a c h i n i n gp r o c e s so ft h ec o m p o u n dm a c h i n i n gf o rs i n t e r e dn d - - f e b m a g n e tw a sp u tf o r w a r d d u r i n gt h ef o r c e - c o n t r o l l e dg r i n d i n g p r o c e s s ，f o rg i v i n g a t t e n t i o nt ot h et w ot h i n g so fm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dm a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y , t h e p r o c e s so f u l t r a s o n i cv i b r a t i o ng r i n d i n gc o u l db eu s e dt or e m o v er e d u n d a n tm a t e r i a li n t h ef i r s ts t a g e ，a n dt h ep r o c e s so fe l e c t r i cd i s c h a r g eg r i n d i n gc o u l db eu s e dt oe l i m i n a t e g r i n d i n gd a m a g ea n di m p l e m e n ts u r f a c em o d i f i c a t i o n k e y w o r d s ：s i n t e r e dn d - f e b ：m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ；u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ；p u l s e e l e c t r i cd i s c h a r g e ；g r i n d i n g ；c o m p o u n dm a c h i n i n g v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 雄 日期：丝! ! ：堑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 蝉导师签名： 哗嗍 第1 章绪论 1 绪论 1 1 烧结n d f e b 永磁材料 永磁材料的生产和开发应用程度已经成为现代国家经济发展程度的标志之 一，其家庭平均使用量常被用来作为衡量现代国民生活水平的标准。2 0 世纪末期， 为适应生产和科学技术迅速发展的要求，永磁材料无论在质的方面，还是在量的 方面均经历了史无前例的发展。其中，尤以高磁能积的n d f e b 系永磁材料的发 展最快。 烧结n d i c e b 永磁材料是继铸造永磁材料和铁氧体永磁材料之后的第三代稀 土永磁材料。其基体n d 2 f e l 4 b 金属间化合物是2 0 世纪8 0 年代初分别由k o o n 、 c r o a t 、h a d j i p a n a y i s 等人发现的，1 9 8 3 年日本住友特殊金属公司的s a g a w a 等人首 先制造出以n d 2 f e l 4 b 为基体的n d f e b 系烧结永磁材料【。自问世以来，其品种、 数量和性能均有飞速发展和提高。2 0 0 2 年，德国v a c 公司实验室制造出磁能积为 4 5 1k j m 3 的高性能烧结n d f e b 永磁材料1 2 j ，达到其理论极限值( 5 1 5 8 k j m 3 ) 的 8 7 4 ；同年，该公司推出牌号为v a c o d y m 7 2 2 h r 的高磁能积永磁材料f 3 】， 其磁性能为b r = i 4 7 t ，h e i = 9 6 0 k a m ，( b h ) = - - 4 2 0 k j m 3 ，已经商品化。磁能密度的 提高有利于仪器仪表的小型化和轻型化，迎合了当今的科技发展方向。烧结 n d f e b 永磁材料所具有的其它材料无可比拟的高性能使其成为很多高新技术的 基础材料之一，广泛应用于现代通讯、医疗器械、仪器仪表、计算机、电机、汽 车、国防、军工、航空航天工业等产业和高科技领域。 n d i c e b 系烧结永磁材料对我国有重要的战略意义。中国有丰富的稀土资源， 在我国发展n d 。i c e b 产业有得天独厚的资源条件。1 9 9 0 年，日本生产烧结n d i c e b 永磁材料8 0 0 t ，而我国仅生产了1 8 0 t ；但到1 9 9 6 年，日本的产量为2 4 0 0 t ，我国 为2 6 0 0 t ，在产量上超过了日本，居世界第一位。预计到2 0 1 0 年，我国烧结b i d f e b 产量将达到4 0 ，0 0 0 t 左右，约占世界总产量的4 0 。诺贝尔物理学奖获得者丁肇中 领导的旨在寻找反物质的a m s 计划，其中最关键的部件磁谱仪就选在中国制 造，原因是“中国有着世界上最丰富的n d f e b 资源”。 山东大学 埠l 学位论文 1 1 1n d 。f e b 系永磁材料的分类与制造工艺 n d f e b 永磁材料的主要化学成分为n d ( 钕) 、f e ( 铁) 、b ( 硼) ，其主相晶 胞在晶体学上为四方结构，分子式为n d 2 f e l 4 b ( 简称2 ：1 4 ：1 相) 。除主相n d 2 f c l 4 b 外，n d f e b 永磁材料中还含有少量的富n d 相、富b 相等其它相。其中主相和富 n d 相是决定n d ，f c b 磁体永磁特性的最重要的两个相。 按照制造工艺的不同，n d f e b 系永磁材料可以分为烧结永磁材料和粘结永磁 材料，其制造工艺流程如表1 - 1 所示。采用工艺1 与2 制造的是各向异性烧结磁体， 其中铸锭组织、制粉、磁场成型、回火工艺参数对磁性能有十分重要的影响。采 用工艺3 制造的粘结磁体有各向同性和各向异性两种。若h d d r ( h y d r o g e n d i s p r o p o r t i o n a t i o nd e s o r p t i o nr e c o m b i n a t i o n ) 处理得到的磁粉是各向异性的，则在 磁场中成型可得到各向异性粘结磁体，若h d d r 处理得到的磁粉是各向同性的， 则在成型时可不加磁场，得到各向同性粘结磁体。采用工艺4 可得到双相纳米晶 复合粘结磁体。目前普遍采用的工艺是1 、3 两种。 表1 - 1 各类n d - f c b 系永磁材料的制造工艺流程 烧结n d - f e - b 永磁材料粘结n d f e - b 永磁材料 工艺工艺 i 冶炼与铸锭ii 冶炼与铸锭i + l圆圆圆 军 函 i h d d r 处理i隔赢司 囱广l习粤 匝圃 彳 t _ _ l 雨与例雨与 l ：苎竺i l一j l ：! 竺j 囱 彳彳 回 甲于 h = 0 或h 0 h - - - 0 + l 尉化处理ll 固化处理l 十 t i 机械加工与表面处理l 机械加工与表面处理l 表血处理ll 表面处理l t ， i 性能检测ii 性能检测ii 性能榆删ii 性能检测i 2 第1 章绪论 通常n d f e b 烧结磁体的磁性能远高于n d f e b 粘结磁体，在我国的稀土永 磁材料工业中起着主导作用，生产量和销售额均以绝对优势压倒其它同类稀土永 磁材料。但在生产工艺的复杂程度和产品的机械性能方面，相对于n d f e b 粘结 磁体，n d f c b 烧结磁体有相当大的劣势，成为制约其使用领域进一步扩大的瓶颈。 n d f e b 粘结磁体可以用压结、注射等成型方法制作尺寸小、形状复杂、几何精度 高的工件，并且容易实现大规模自动化生产；由于n d f e b 粘结磁体中主相 n d 2 f e l 4 b 呈微晶状态，因此它还具有比烧结磁体耐蚀性好等优点。烧结n d f e b 磁体在烧结过程中无法保证所要求的形状精度和尺寸精度，烧结后必须进行机械 成型加工，而其所具有的居里温度低、温度稳定性差、抗腐蚀能力差，以及高硬 度、高脆性等特点，又决定了它是一种难加工材料。如何提高烧结n d f e b 磁体 的机械加工效率和质量，对于弥补其生产工艺的不足、充分发挥其超强的磁性能 具有重要意义。 8 本课题的提出正是基于这个问题，针对烧结n d f e b 永磁材料的特殊加工要 求，提出一种复合特种加工方法，以获得高的加工效率和加工质量。 1 1 2 烧结n d f e b 永磁材料的制造工艺 烧结n d f e - b 永磁材料是用粉末冶金方法制造的，其工艺流程为：原材料准 备一冶炼一铸锭一破碎与制粉一磁场取向与压型一烧结一回火一机加工与表面处 理一检测。 1 1 2 1 原材料的选择与熔炼 烧结n d f e b 系永磁材料的磁性能主要由n d 2 f e l 4 b 基体相决定。因为其磁极 化强度 和各向异性场e t 主要取决于n d 2 f e - 。b 相的化学成分，所以合金的成分 设计是至关重要的。而原材料的选择是保证设计成分的重要工艺环节。 熔炼的目的是将纯金属料熔化，并确保合金液“清、准、均、净”。所谓“清” 是将所有的金属料熔清；“准”是确保合金的设计成分，防止金属的挥发和氧化损 失，做到成分准确；“均”是指成分均匀；“净”是确保合会液干净，防止夹杂物 和气体污染。 1 1 2 2 铸锭组织控制 “i 东尺学博卜学位论文 铸锭组织不仅对制粉、取向、烧结工艺，而且对粉未性质和最终烧结磁性能 均有重要影响。没有优良的铸锭组织就不可能制造出高件能烧结永磁材料，铸锭 组织的控制是制约磁体性能的关键技术之一。良好的铸锭组织应是：柱状晶生长 良好，其尺寸细小：富n d 相沿晶界均匀分布，但不得有大块的富n d 相，以及不 存在a f e 晶体。 1 1 2 3 制粉 制粉的目的是将大块的合金铸锭破碎至一定尺寸的粉末体，包括粗破碎和磨 粉两个工艺过程。 目前，最重要的烧结n d f e - b 永磁材料制粉方法是h d + j m ( h y d r o g e n d e c r e p i t a t i o n + j e tm i l l i n g ) t 艺。将具有新鲜表面的n d f c b 系永磁合金铸锭置于 约l o s p a 的纯氢环境中，n d f e b 合金锭吸氢后，形成稀土化合物的氢化物。由于 所形成的氢化物n d 2 f e z 4 b h x 和n d h ，有2 8 4 8 的体积膨胀率，使局部区域产生 内应力，当内应力超过n d z f e l 4 b 化合物的断裂强度时，就产生爆裂，称为“氢爆 ( h d ) ”。试验发现【4 】，富n d 相首先氢化，然后是n d 2 f e l 4 b 相的氢化，前者引起 沿晶断裂，后者引起穿晶断裂。h d 磁粉大部分都是单晶颗粒，尺寸在4 5 3 5 5 l 删 范围。进一步用气流磨( j m ) 处理，使其氢化物破碎至3 4 朋后可直接用来烧 结磁体。 1 1 2 4 粉末磁场取向与压型 烧结n d f c b 永磁材料的磁性能主要来源于具有四方结构的n d 2 f e l 4 b 基体 相。它是单轴晶体，c 轴为易磁化轴，口轴为难磁化轴。粉末颗粒的c 轴取向度对 磁体的晟和。均有重要的影响。c 轴取向的程度受多方面因素的影响【5 j 如取 向磁场强度、粉末颗粒形状与尺寸、成型方式、取向场与成型压力的相对方向以 及取向的粉末的松装程度等均有关系，其中取向磁场强度是最重要的影响因素。 粉末压型有两个目的：( 1 ) 按用户需求将粉末压制成一定形状和尺寸的压坯； ( 2 ) 保持在磁场取向中获得的晶体取向度。目前普遍采用的压型方法有三种，即 模压法、模压加冷等静压、橡皮模冷等静压。也可分为干压与湿压两种。所谓湿 4 第1 辛绪论 压是指粉末与保护介质混和，处于胶泥状态或半湿的粉末态下进行压型，其优点 是可减少粉末的氧化，缺点是烧结时对真空系统有影响。 1 1 2 5 烧结 n d f c b 粉末压坯的孔隙率一般为3 0 5 0 ，颗粒间的接触是机械接触，结 合强度低。为进一步提高密度，改进粉末颗粒间的接触性质，提高强度，使磁体 具有高永磁性能的显微组织特征，需要将压坯进行烧结。 烧结过程使压坯发生一系列物理化学变化。首先是粉末颗粒表面吸附气体的 排除，有机物的蒸发与挥发，应力的消除，表面氧化物的还原，变形粉末颗粒的 回复和再结晶。接着是原子的扩散，物质的迁移，颗粒之间的接触由机械接触转 化为物理化学接触，形成金属键或共价键结合。接触面扩大，出现烧结颈和烧结 颈长大，密度提高，晶粒长大等。 烧结n d f e - b 永磁材料主相熔点约为1 1 8 59 c ，富n d 相的熔点为6 5 5 c 。当加 热到烧结温度( 1 0 8 0 c 左右) 时，富n d 相已熔化，并流动到粉末颗粒的间隙。随 着液相的流动，粉末颗粒发生重排和调整位置或位移，使烧结体迅速致密化。 1 1 2 6 回火 n d f e b 永磁合金烧结并快冷后磁性能较低，回火处理可以显著提高烧结 n d f e - b 永磁材料的磁性能，尤其是矫顽力。回火有一级回火和二级回火两种。二 级回火处理可获得较好的磁性能。大量的实验结果表明，获得最佳磁性能的一级 回火温度( 9 0 0 。c ) 不随合金的成分而改变；二级回火温度随合金成分的变化而变 化，但一般不应超过7 0 0 。 1 1 3 烧结n d f e b 永磁材料的机械物理性能 烧结b i d - f e b 永磁材料的种类很多，不同的配方、不同的添加剂都成为不同 型号的磁体。按照性能的不同可以分为高磁能积型、高矫顽力型、超高矫顽力型、 特高矫顽力型和低温度系数型。烧结n d f e b 永磁材料的主要性能见表1 2 ，其中 磁性能数据源自北京中科三环公司钕铁硼产品性能标准，均为其系列产品性能的 最大值。 5 表1 - 2 烧结n d - f e b 永磁材料的主要性能 ，t 温度系数 m 6 0 。c b ，温度系数- 0 1 1 - 0 1 3，o c 居里温度，t c 3 1 0 3 4 0 。c 磁 矫顽力，如 1 0 1 8 c a m 性 内禀矫顽力，月0 2 3 8 7 k a m 能 剩余磁通密度，耳 1 4 8 r 最大磁能积，f b 硼。4 2 2k j m 3 最高工作温度，t m 1 8 0。c 密度，p 7 4 5 g c m 3 熔点1 1 8 5。c 电阻率 1 5 0脚c m 物 导热系数，a9 w r e k 理 性 抽嘭叱互黼 3 4 x 1 0 6 ( 平行c 轴) ，。， 能热膨胀系数 ，o c 4 8 1 0 r 6 ( 垂直c 轴) 比热，c 4 6 0 - ，k g 。c 弹性模量，e1 6 0g 只口 泊松比，0 2 4 一一 硬度，h v 5 7 0一一 力 抗拉强度 8 0m p a 学 性 抗弯强度 2 5 0m p a 能 抗压强度7 8 0m p a 断裂韧性，j ，j c 4 2 8 m p a m ； 注：磁性能数据源自北京中科三环公司钕铁硼产品性能标准。 1 1 4 烧结n d f e b 永磁材料的应用与发展前景 自烧结n d f e b 永磁材料问世以来，人们就在不断研究替代它的新型材料， 但结果表明，迄今还没有发现一种磁性能比n d 2 f e ，4 b 更好的材料。而且，烧结 n d f e b 永磁材料还处于发展阶段，工业化产品的磁性能与其理论值还有相当大的 6 第1 辛缔论 差距，生产工艺、技术、设备正在不断改进和完善。烧结n d f e b 永磁材料在现 代科学技术中的应用范围还在扩大，市场需求量还在不断增加，到2 0 1 0 年，全球 对烧结n d f c b 永磁材料的需求量将可能增加到l o 万吨左右。表1 3 列举了烧结 n d f e b 在各领域的应用实例。 表1 3 烧结n d f c - b 永磁材料的应用 应用领域应用实例 微波通讯技术 电机工程 电声器件 磁力机械 磁分离技术 磁化技术 磁疗器械 家用电器 起重机械 磁控管、行波管、阴极管、隔离器等 直流和交流n d f e b 永磁工业电机 扬声器、拾音器、电话接收器、电传器 传动器、打捞器、磁力泵、磁性阀 磁选机、高强度净化磁水器、原料磁净化器 磁化水除污器、磁化防腊器 核磁共振成像仪、磁疗机 空调、冰箱、洗衣机，吸尘器 永磁吊车 中国发展n d f e - b 永磁材料产业的突出优势是稀土资源丰富。我国稀土资源 工业储量约4 8 0 0 万吨，远景储量约1 2 0 0 0 万吨，占世界稀土资源的7 0 8 0 1 6 1 另外，日本和美国各大公司n d f e b 永磁材料专利也纷纷到期，这将极大地活跃 全球n d f c b 永磁材料产业，给中国的n d f c b 永磁材料产业带来巨大的机遇和 挑战。 目前，我国烧结n d f e b 永磁材料的产量已经超过日本、美国和欧洲，位居 世晃第一。但同时也必须看到川，中国n d f c b 永磁材料产业还存在许多问题，如 产品性能较低，工艺与设备落后，配套加工工艺落后，产品附加值低日本烧结 n d f c - b 永磁材料的平均价格为每千克1 0 0 美圆，而中国仅为每千克3 0 美圆。产 量高但产值低已经成为中国n d f c b 永磁材料产业的特殊状况。如何把我国烧结 n d f c b 永磁材料产业的资源优势转变为产品和技术优势是亟待解决的问题。 1 2 烧结n d - f e b 永磁材料的加工现状 7 山东大学博斗学位论文 烧结n d f e b 永磁材料是由粉末冶金工艺生产，具有硬度高脆性大的特点， 并且热稳定性较差，随着温度的升高，其磁通量会下降，属于难加工材料。目前， 国内各生产企业主要采用电火花线切割和磨削的方法进行成型加工，加工效率低， 成本较高，难以满足生产实际的需要。磨削工艺主要有内圆式切片机( 刀头涂覆 金刚砂) 、平面磨、无心磨、外圆磨、钻孔和套孔等。 1 2 1 电火花线切割加工 电火花线切割工艺可以加工高精度的异型工件由于烧结n d f e b 永磁材料 无论从导电性、电腐蚀性、排屑性能等方面，都无法与模具钢相比，故在加工工 艺上有更为严格的要求，切割效率也很难达到切割模具钢的水平 宁波天马德威实业公司【8 l 在大量试验的基础上，改进了高频电