四種工藝原理及影響

1、一、燒結(jié)1.原理宏觀解釋燒結(jié)：在高溫下（低于熔點(diǎn)），陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減 少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體。微觀解釋燒結(jié)：固態(tài)中分子（或原子）間存在互相吸引，通過加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，使粉末體產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶。燒結(jié)的定義是把粉狀物料轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w，是一個(gè)傳統(tǒng)的工藝過程。人們很早就利用這個(gè)工藝來生產(chǎn)陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高溫材料等。一般來說，粉體經(jīng)過成型后，通過燒結(jié)得到的致密體是一種多晶材料，其顯微結(jié)構(gòu)由晶體、玻璃體和氣孔組成。2、分析其影響及其參數(shù)（1）總述燒

2、結(jié)對磁性材料的影響：燒結(jié)過程直接影響顯微結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸、氣孔尺寸及晶界形狀和分布。無機(jī)材料的性能不僅與材料組成（化學(xué)組成與礦物組成）有關(guān)，還與材料的顯微結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。燒結(jié)過程使壓坯發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化。首無是粉末顆粒表面吸附氣體（包括水汽）的排除，有機(jī)物的蒸發(fā)與揮發(fā)，應(yīng)力的消除，粉末顆粒表面氧化物的還原，變形粉末顆粒的回復(fù)和再晶。接著是原子的擴(kuò)傲，物質(zhì)的遷移，顆粒之間的按觸由機(jī)械接觸轉(zhuǎn)化為物理化學(xué)接觸，形成金屬鍵或共價(jià)鍵的結(jié)合。接觸面擴(kuò)大，出現(xiàn)燒結(jié)頸和燒結(jié)頸長大，密度提高，晶粒長大等。燒結(jié)可粗略地分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，兩種燒結(jié)有許多共同的特征。（系燒結(jié)水磁體由主相（）、富Nd相和富

3、B相組成的（）。主相熔點(diǎn)約為1185，而富 Nd相的熔點(diǎn)為655（平衡態(tài)），系磁體的燒結(jié)溫度一般為1080左右。在燒結(jié)溫度下，合金系由固態(tài)的主相和熔化了的富Nd相組成。在某一溫度下，同時(shí)存在固相和液相的燒結(jié)稱為液相燒結(jié)。NdFeB系永磁體固相之間的燒結(jié)即是固相燒結(jié)。）（2）燒結(jié)導(dǎo)致的收縮和致密化的起因：粉末壓結(jié)體的孔隙率大，表面積大，表面能大，同時(shí)有晶格畸變能，使粉末壓結(jié)體處于高能狀態(tài)。從能量牧態(tài)來看，它是不穩(wěn)定的，具有自發(fā)地?zé)Y(jié)與粘結(jié)成一個(gè)致密體的傾向和驅(qū)動力。因此在一定溫度條件下，即動力學(xué)條件允許的情況下，粉末顆粒之間的接觸將由點(diǎn)到面，以便減少表面積和表面能，并隨接觸面積的擴(kuò)大其結(jié)果是燒結(jié)

4、體的收縮和致密化。（3）就液相燒結(jié)過程影響的分析三個(gè)階段：<1>液相生成與液相的流動；<2>溶解與析出；<3>固相燒結(jié)。這三個(gè)階段役有明顯的界限，而是相互重疊交叉的。 在液相燒結(jié)時(shí)，當(dāng)液相數(shù)量不足時(shí)，部分的固態(tài)粉末顆粒之間直接觸，而成為固相燒結(jié)。固相燒結(jié)過程可用雙球模型作定性描述。 在燒結(jié)過程中，固相晶粒要逐步地長大，其長大機(jī)制為：一方面是細(xì)小的顆粒溶解于液相中爾后通過液相擴(kuò)散、析出，在大顆粒表面上沉淀使顆粒長大。另一方面是通過固相晶粒邊界遷移使燒結(jié)體致密化可用致密化系數(shù)a描述， a=(）x100%其中、表燒結(jié)體、壓結(jié)體、致密體理論密度。液相燒結(jié)三個(gè)階段致密

5、化系數(shù)的變化如圖下圖：l一液相流動；2溶解-析出；3固相燒結(jié)（4）燒結(jié)溫度影響的分析586K的吸熱峰和相的居點(diǎn)相對應(yīng)，在該溫度（TC）相的原子磁矩由磁有序（鐵磁性）轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序（順磁性），困此吸收熱量。938K吸熱峰是三相共晶物熔化而吸收熱量。1368K的吸熱峰對應(yīng)的是兩相共晶物熔化的溫度。1428K的吸熱峰對應(yīng)的是相的熔點(diǎn)，即在該溫度相由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合酂Y(jié)溫度應(yīng)低于該溫度5575K。 N35燒結(jié)永磁體在不同溫度下燒結(jié)時(shí)，粉末燒結(jié)體的。和密度 d隨燒結(jié)時(shí)間的變化。可見在 1040燒結(jié)3h樣品的Hit和鳳均很低，接近零。在1040到1080之間燒結(jié)，樣品均直線上升?？梢娮罴褵Y(jié)溫度為1070一10

6、80之間，在1100溫度以上燒結(jié)，雖然樣品密度繼續(xù)提高，但Br、（BH）max沒有明顯的提高，而Hci反而降低。估計(jì)它與晶粒長大有關(guān)。粉末壓結(jié)體分別在1030和1080燒結(jié)后的顯微組織1030燒結(jié)的平均晶粒尺寸為 46，矯頑力為 8756。在 1080燒結(jié) 3h后，平均晶粒尺寸為23，矯頑力已降低到103?？傊?，燒結(jié)溫度過高，晶粒尺寸增加，矯頑力降低。燒結(jié)溫度的選摔與合金成分有關(guān)，當(dāng)Nd含量校高時(shí)，或含育一定數(shù)量的輕稀土元索，如等，燒結(jié)溫度應(yīng)適當(dāng)降低。磁體燒結(jié)后一般應(yīng)快淬冷卻，以保證獲得高所需的顯微組織和為以后的回火處理準(zhǔn)備良好顯微組織條件。二、氫破1.原理：是利用稀土材料具有吸氫特性,吸氫后

7、發(fā)生膨脹,在膨脹的過程中,沿晶界斷裂,從而達(dá)到破碎的目的。釹鐵硼氫破碎技術(shù)（HD）：HD法是一種在一定條件下物理化學(xué)破碎的方法。2、分析其影響及其參數(shù)(1)氫破的說明：HD氫化粉碎法只適用于能氫化的金屬或合金的粗破碎和中磨，進(jìn)料尺寸1000.1mm，出粉粒度：10-1000，對于儲氫合金Ni-電池負(fù)極材料所需粉末，此粒度已滿足實(shí)用要求。釹鐵硼永磁體的粉末粒度應(yīng)為3-5，須氣流磨細(xì)磨處理。氫化破碎（HD）法是吸氫晶格膨脹及脫氫還原細(xì)化粒徑，且吸氫或脫氫是可逆的化學(xué)反應(yīng)過程，物理化學(xué)反應(yīng)存在其化學(xué)成分及磁性的改變。（2）氫破的過程對磁性物質(zhì)的影響 NdFeB吸氫，生成的氫化物晶格膨脹，并生成熱，化

8、學(xué)過程；脹的內(nèi)應(yīng)力使NdFeB晶體產(chǎn)生裂紋變成疏松體為物理現(xiàn)象，兩都同時(shí)進(jìn)行；加溫脫氫處理，大部分主相氫化物變回原來的Nd2Fe14B粉體，部份殘留富Nd相氫化物需深度處理。NdFeB的吸氫過程，最先吸氫的是露在表面的富Nd相，其次是主相Nd2Fe14B與H2發(fā)生反應(yīng)，主相氫化物的形成伴隨著放熱反應(yīng)，總的熱量可以使反應(yīng)物溫度升高到300度。晶格常數(shù)變大和熱膨脹過程產(chǎn)生粉態(tài)炸裂，釹鐵硼的HD粉末已經(jīng)發(fā)生質(zhì)變。脫氫使hy變成，即將氫化物分解。溫度與壓力的影響，650時(shí)，富Nd相變軟熔化，繼續(xù)升溫發(fā)生HDDE反應(yīng)，現(xiàn)在采用最佳脫氫溫度是500，在此條件下，主相氫化物的氫全部放出，富釹相氫化物NdH3

9、在500之后，脫了部份氫變成NdH2 ， 1040可將氫從主相完全排出。 <1 > HD+JM（氣流磨）的制粉效率提高2-3倍，達(dá)到90-100KG/HR（原來僅30KG/HR）；接近NDFEB主相成分（RE=11.76at%）就力學(xué)性能而論，又硬又韌（Hv=530,抗彎強(qiáng)度24-26KG/mm2）；<2> 有效降低磁粉的氧含量，HD氫化粉碎法有效地降低了磨粉工段的氧化程度（200-800）×10-O2  ），在燒結(jié)過程中有氫存在，可以還原釹的氧化物，凈化晶界促進(jìn)致密化，實(shí)現(xiàn)了部分的活化燒結(jié)。<3> HD粉多沿晶界相開裂：HD+

10、JM粉末多呈單晶粒子，接近最佳粒子尺寸2-3UM，晶粒邊沿均有富釹相，有效地提高IHC，實(shí)際上可以提高500-5000Oe.<4> HD磁粉性能略有變異：HD+JM粉末由于部分粉末以氧化物形態(tài)存在（Nd2Fe14BHxNdHy）,其磁性變異呈現(xiàn)：4Js高，Br和IHC低的現(xiàn)象，磁性弱，脫模容易，外觀整齊，堆放方便；<5> HD粉末具有良好的抗氧化性：HD+JM粉末具有較好的抗氧化性，保存時(shí)間較長，實(shí)踐表明4UM的粉末在空氣中不易燃燒；<6> HD氧化粉碎法的負(fù)面作用和效果(主要對磁性材料)： HD+HM粉末表面楞角很多，在磁場取向和盛開過程中摩擦系數(shù)增大，使

11、取向度降低導(dǎo)致Br降低，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br降低；與同成分NDFEB合金機(jī)械制粉相比，HD+HM粉末減少了氧化，相對而言Nd（R）成分比同等的合金要高，非磁性相的增加也導(dǎo)致Br的降低； 燒結(jié)中脫氫和晶粒反常增大（AGG），HD+JM粉末中含氫量不同，最終在燒結(jié)過程中才能脫盡。在升溫過程中還會出現(xiàn)開裂，真空度不高而出現(xiàn)氧化，氮化等現(xiàn)象，原因在于混料燒結(jié)，設(shè)備不適應(yīng)，升溫不正確所至。HD+JM粉末中含氫而且粉末細(xì)（3m）在一般制度下很容易發(fā)生晶粒超常增大的問題（矯頑力HC大幅度降低），解決方法：降低燒結(jié)溫度由1060度降到960度，添加晶粒抵制劑。 如果采用HD+JM粉末制作磁體與相同成分機(jī)械粉末磁

12、體相比較，結(jié)果Br,Hk/Hci都化用機(jī)械制粉的磁體低。原因在于Pr-Fe-B合金的氫化物PrFeBHx的易磁化軸由C軸變成A面，在磁取向時(shí)發(fā)生錯(cuò)位，當(dāng)完成燒結(jié)后，易磁化軸由A面變成C軸了，這就出現(xiàn)Br,Hk/Hci都低的，只要不含Pr的Nd-Fe-B磁體都不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 尾粉是大顆粒出現(xiàn)的原因，導(dǎo)出尾粉的唯一方式，即停止分級輪的轉(zhuǎn)動，讓粉碎室的摒棄將尾粉吹出，從旋風(fēng)集粉器收集的尾粉粒度不同，批量不大，不好處理，是有存放待以后集中處理。尾粉收集并不完全，其中許多大顆粒會阻留在所經(jīng)過的管道中，待到下一次磨粉機(jī)運(yùn)行時(shí)，新的強(qiáng)大粉流可能把以前阻留在管道中的大顆粒尾粉卷入到旋風(fēng)集粉器中，新粉料中混

13、入了大顆粒，這就是大顆粒的污染問題，導(dǎo)致下次制備磁性材料性能下降，當(dāng)然還有超細(xì)粉帶來危害。三、等靜壓1、原理等靜壓工作原理為帕斯卡定律：“在密閉容器內(nèi)的介質(zhì)（液體或氣體）壓強(qiáng)，可以向各個(gè)方向均等地傳遞?！?等靜壓技術(shù)已有70多年的歷史，初期主要應(yīng)用于粉末冶金的粉體成型；近20年來，等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陶瓷鑄造、原子能、工具制造、塑料、超高壓食品滅菌和石墨、陶瓷、永磁體、高壓電磁瓷瓶、生物藥物制備、食品保鮮、高性能材料、軍工等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。等靜壓技術(shù)是一種利用密閉高壓容器內(nèi)制品在各向均等的超高壓壓力狀態(tài)下成型的超高壓液壓先進(jìn)設(shè)備。2、分析等靜壓技術(shù)對材料影響等靜壓技術(shù)按成型和固結(jié)時(shí)的溫度高低，

14、分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種不同類型。（1）三種技術(shù)的影響或參數(shù)：冷等靜壓技術(shù)冷等靜壓技術(shù)，(Cold Isostatic Pressing,簡稱CIP)是在常溫下，通常用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質(zhì) 主要用于粉體材料成型，為進(jìn)一步燒結(jié)，煅造或熱等靜壓工序提供坯體。一般使用壓力為100630MPa。溫等靜壓技術(shù)溫等靜壓技術(shù)，壓制溫度一般在80120下也有在250450下，使用特殊的液體或氣體傳遞壓力，使用壓力為300MPa左右。主要用于粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚酰胺 橡膠材料等。以使能在升高的溫度下獲得堅(jiān)實(shí)的坯體。 熱等靜壓技術(shù)熱等靜壓技術(shù)(hot isost

15、atic pressing，簡稱HIP) HIP，是一種在高溫和高壓同時(shí)作用下，使物料經(jīng)受等靜壓的工藝技術(shù)，它不僅用于粉末體的固結(jié)睫傳統(tǒng)粉末冶金工藝成型與燒結(jié)兩步作業(yè)一并完成而且還用于工件的擴(kuò)散粘結(jié)，鑄件缺陷的消除，復(fù)雜形狀零件的制作等。在熱等靜壓中，一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質(zhì)，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為10002200 ，工作壓力常為100200MPa。與常規(guī)成型技術(shù)相比特點(diǎn)等靜壓技術(shù)作為一種成型工藝，與常規(guī)成型技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：a等靜壓成型的制品密度高，一般要比單向和雙向模壓成型高5 l5%,熱等靜壓制品相對密度可達(dá)989909 。 b壓坯的密度均勻一致。在

16、摸壓成型中，無論是單向、還是雙向壓制，都會出現(xiàn)壓坯密度分布不均現(xiàn)象。這種密度的變化在壓制復(fù)雜形狀制品時(shí)，往往可達(dá)到10% 以上。這是由于粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質(zhì)傳遞壓力，在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致，粉料與包套無相對運(yùn)動，它們之間的摩擦阻力很少，壓力只有輕微地下降，這種密度下降梯度一般只有1% 以下，因此，可認(rèn)為坯體密度是均勻的。 c. 所以制作長徑比可不受限制，這就有利于生產(chǎn)棒狀、管狀細(xì)而長的產(chǎn)品。 d等靜壓成型工藝，一般不需要在粉料中添加潤滑劑，這樣既減少了對制品的污染，又簡化了制造工序。 四、速凝1.原理熔體快淬法制備NdFeB薄帶有雙輥法和單輥法兩種。

17、單輥法真空快淬法的生產(chǎn)設(shè)備如圖416所示。感應(yīng)困將在石英坩堝內(nèi)的NdFeB母合金加熱熔化成為熔體，通過氣閥調(diào)節(jié)氮?dú)鈮毫⑷垠w從坩堝下端的窄縫直接噴射到高速轉(zhuǎn)動的紫銅輥的表面。紫銅輥可通冷卻液冷卻，或利用其自身的良導(dǎo)熱性質(zhì)，將噴射到其表面的合金液體以一s速度冷卻。在紫銅輥直徑和溫度為一定的條件下，紫銅輥的轉(zhuǎn)速(rmin)或表面線速度(ms)與其冷卻速度(s)成正比。用單輥法制備的NdFeB薄帶的厚度為30一80，寬度為13mm，長度取決于坩堝的熔量。在傳統(tǒng)的金屬模鑄錠工藝中，減薄鑄錠厚度可有效地細(xì)化晶粒尺寸。但由于鑄錠心部與表面的冷卻條件有很大差別，對于NdFeB合金仍難以消除Fe的析出。而消除

18、合金中的Fe是獲得高性能燒結(jié)NdFeB磁體的重要手段。為此，1995年Yanmamoto等人開發(fā)了所謂的速凝鑄造工藝。速凝鑄造工藝的基本原理與快淬法相似，它是將合金熔體澆鑄到具有一定轉(zhuǎn)速的水冷銅輥s 的冷速下形成厚度在0.0310mm范圍內(nèi)的合金薄片。 2、分析其影響及參數(shù)（1）兩種鑄錠的顯微組織來總結(jié)速凝的一般影響：Hirose等人比較了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.5Nd-68.5%Fe-1.0%B的合金鑄錠與鱗片鑄錠的顯微組織。圖中a是水冷銅模鑄錠(冷卻方向的厚度為30mm)的SEM的背散射電子像，黑色相為樹枝狀Fe，白色相團(tuán)塊狀的富釹相，基體是相，顯微組織十分均勻。經(jīng)1050退火4h后，F(xiàn)e的數(shù)量有

19、所減少，但富釹相聚集長大，如圖中b所示。圖中c是相同成分的合金用速凝法制備的鱗片鑄錠的顯微組織，可見僅有少量的Fe，富釹相沿2：14：1相的片狀晶界分布均勻。2：14：1相片狀晶厚度約為58，圖中d表明，2：14:1相的校狀晶內(nèi)部有若干個(gè)片狀晶，柱狀晶短軸方向的尺寸約20一30。工藝的基本參數(shù)為：水冷純鋼輥輪直徑為400mm，輥表面線速度為1ms，合金在坩堝中熔化，合金液溫度達(dá)到1450并在中間包中也保持該溫度進(jìn)行澆鑄，冷卻速度約為2.5×s，獲得厚約03mm、寬幾十毫米的鱗片。鱗片離開輥面的溫度約750一600，隨后的冷卻速度約05s 。速凝工藝制備的鱗片鑄錠，經(jīng)過HD處理和氣流磨制粉，已用于制備向性能NdFeB燒結(jié)磁體。金相觀察表明，用速凝鱗片制備的燒結(jié)磁體晶粒細(xì)小均勻主相晶粒小于