專利名稱：大尺寸稀土燒結磁體的磁場凝膠注模成型方法
技術領域：
本發明屬于粉末冶金成型技術領域，特別是提供了大尺寸稀土燒結磁體的磁場凝膠注模成型方法。
背景技術：
目前，Nd-Fe-B系或者Sm-Co系稀土燒結磁體生產主要采用傳統粉末冶金壓制工藝。在磁場壓制成型過程中，磁粉在磁場中取向度的改善是提高永磁體磁性能的關鍵因素。但是，磁粉在取向轉動過程中將遇到阻力。阻力主要來自于粉末顆粒相互接觸時產生的摩擦力、粉末形狀不規則造成的機械阻力及磁粉與模具之間的摩擦力。并且作為一種微米量級粉末，磁粉由于粉末之間的范德華力、London力和磁力的相互作用，粉末團聚成二次粉末顆粒，使粉末流動性變差，給壓制成型粉末顆粒磁場取向增加了困難。
為了獲取高取向度稀土燒結磁體，研究者把目光投向濕法成型工藝，希望借助液體的良好流動性減小懸浮于其中的粉末之間的摩擦力，在較低的取向場下實現取向的一致性。粉末注射成型(Powder Injection Molding，PIM)是近年來國際上較引人注目的一項新型粉末冶金近凈成型技術。Lee S.H.將粒徑為5μm、形狀不規則的Nd14.7Fe64.1Co12.9A10.8Zr0.6B6.9磁粉與粘結劑石蠟在惰性氣氛中于80℃混煉10min，然后在注射溫度85℃、注射壓力19.4MPa及8kOe外加磁場的作用下注射成型，在氫氣或氬氣氣氛中600～800℃進行熱脫脂，在真空中1100℃下燒結1h，得到了最大磁能積為232kJ/m3的磁體。Yamashita O.采用甲基纖維素水溶液作粘結劑在283K下熔煉，在20℃的注射溫度，80℃的模具溫度，1.35MA/m的取向磁場作用下，用1.7MPa的壓力注射成型；脫粘結劑、脫氫后的生坯在真空中300℃下保持0.5h、在1120℃真空燒結4h，隨后在500℃真空退火2h，獲得的磁體的磁能積與傳統工藝生產的基本相當。
但是，一般而言，注射成型燒結Nd-Fe-B需要添加15％～50％體積百分數的熱塑性聚酯(如聚酰胺、聚烯烴、聚氯乙烯、聚苯乙烯等)作為粘結劑，高溫混煉過程以及有機物的熱解脫除過程極易使Nd-Fe-B氧化、增碳，而合金中的殘碳及氧含量太高均會使磁體的磁性能受損；并且，大量有機粘結劑的漫長脫除過程使大尺寸零件的粉末注射成型難以實現。另一方面，注射成型的喂料是將磁粉分散在有機物中得到的，因此在注射成型及取向過程中，喂料的粘度對磁粉的取向有著強烈的影響。
凝膠注模成型(gelcasting)由美國橡樹嶺國家實驗室M.A.Janney教授等人于20世紀90年代初發明，是近年倍受關注的一種復雜形狀陶瓷或金屬部件近凈尺寸成型方法。其成型機理是將有機單體與溶劑配制成一定濃度的預混液，金屬或陶瓷粉末懸浮于其中制成低粘度、高固相含量的濃懸浮體，加入引發劑及催化劑之后，將這種濃懸浮體(漿料)注入非多孔模具中，在一定的溫度條件下，有機聚合物單體交聯聚合成三維網絡狀聚合物凝膠，并使粉末顆粒原位粘結而固化形成坯體。坯體經干燥、燒結得到致密產品。其優點是易成型大尺寸、復雜形狀制品，成型坯體密度均勻、強度高、不需專門的脫脂工序。
發明內容
本發明的目的在于提供大尺寸稀土燒結磁體的磁場凝膠注模成型方法，采用磁場凝膠注模成型工藝實現大尺寸、高磁性能的復雜形狀大件稀土燒結磁體的生產。
本發明適用稀土燒結磁體為Sm-Co系燒結磁體及Nd-TM-B系燒結磁體，其中TM表示Fe或者Fe和Co。
本發明是將丙烯酸羥乙酯溶入甲苯配制成一定濃度的預混液，向預混液加入分散劑后于真空操作箱中Ar氣氛下與稀土磁粉混合攪拌并注入球磨罐，經球磨獲得懸浮漿料，真空除泡后加入引發劑及催化劑，之后將這種濃懸浮體漿料注入非多孔模具中，在一定的溫度條件及磁場強度下，有機聚合物單體交聯聚合成三維網絡狀聚合物凝膠，并使粉末顆粒原位粘結而固化形成坯體。坯體經干燥、燒結、熱處理后獲得稀土燒結磁體。具體工藝如下a、將丙烯酸羥乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％(vol.％為體積百分比)均一穩定的預混液；b、向預混液中加入分散劑后，于真空操作箱中Ar氣氛下與磁粉混合；其中磁粉為混合物的10～60vol.％；使用的分散劑為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占磁粉質量的0.05～1.0wt％(wt％為質量百分比)；c、將b步驟所得混合料球磨2～24小時；d、加入引發劑過氧化苯甲酰及催化劑二甲基苯胺后，將將c步驟所得漿料室溫真空除泡5～30分鐘；引發劑用量占磁粉質量的0.005～0.5wt％；催化劑用量占磁粉質量的0.001～0.01wt％；e、將漿料注入模具中，之后加熱模具至40～80℃，在磁場中保溫約30～150分鐘后脫模，室溫真空干燥12～72小時，得到稀土磁體坯體；f、坯體經真空1000℃～1400℃保溫30～300min燒結、300℃～900℃保溫30～120min熱處理，獲得稀土燒結磁體。
所述的模具材料為玻璃或金屬、橡膠、塑料。
本發明較之其它成型技術，將凝膠注模成型技術應用于稀土燒結磁體成型主要優勢在于(1)與磁場壓制成型相比，凝膠注模成型作為一種濕法無壓成型工藝，磁粉在液相中的懸浮狀態可以降低磁粉顆粒相互接觸時產生的摩擦力、由于形狀不規則造成的機械阻力、磁粉與模具之間的摩擦力，使磁粉在相同外場下更大限度的排列在外磁場方向，提高磁取向度從而獲得高的磁性能；(2)凝膠注模成型漿料和磁場壓制成型時的粉末體可看作磁粉與不導磁的液體或氣體組成的磁復合材料。在低填充率下，磁復合材料的相對磁導率μr與填充磁粉的體積成正比，即μr(V)＝1+AV式中，A-依賴于磁性材料性能、形狀和填充量的系數；V-磁性材料填充的體積分數。
凝膠注模成型的漿料可以實現較磁場壓制成型高的固相含量即高的磁粉含量而不會損害取向效果。據以上公式，取向時磁粉含量高的磁復合材料相對磁導率μr較高；而B＝μr·B0，因此磁粉含量較高的凝膠注模成型漿料中的磁場相對較高，有利于獲得較高取向度；(3)凝膠注模成型所用溶劑常溫下粘度低于0.01Pa·s；磁場取向時，磁粉顆粒較之于注射成型過程，向外磁場方向轉動時阻力更小、動作更加容易，因此在相同外場下，凝膠注模成型稀土燒結磁體有利于獲得較高取向度；(4)凝膠注模成型坯體含有機物少，并且70％～90％為易揮發溶劑、可通過干燥過程除去；溶劑揮發之后，坯體孔隙多為通孔，使其余有機物易于脫除，因此不需專門脫脂工序，可制備大尺寸零件且生產效率高；(5)凝膠注模成型稀土燒結磁體無需高溫混煉及脫脂工序，并且成型過程中磁粉被液體包圍不與空氣中氧氣接觸，殘氧殘碳少，磁性能不會因此受損；(6)隨著科技的不斷進步，對磁體的精密度要求越來越高且形狀越來越復雜，傳統的制造技術(如壓制成型)已無法經濟的滿足以上要求。凝膠注模成型技術可以利用價格低廉、便于獲得復雜形狀的石蠟、塑料等模具材料清晰地表現細節特征，并且成型過程不需要大型設備，操作簡便，可以在較低成本的前提下同時滿足大尺寸、復雜形狀的要求，解決這個難題；(7)凝膠注模成型技術所用模具結構簡單，便于各個方向外加磁場的設置，使設備成本降低。
圖1為本發明制備燒結NdFeB磁體(實施例1)垂直取向方向截面的X射線衍射譜。
具體實施例方式
實施實例1NdFeB粉料為市售氣流磨粉，純度為99.9％，平均粒度3.7μm；粉料的化學成分為Nd2Fe14B基體相成分；丙烯酸羥乙酯、溶劑甲苯、引發劑過氧化苯甲酰、催化劑二甲基苯胺、油酸均為分析純。
將30ml丙烯酸羥乙酯溶于70毫升甲苯中，加入760克NdFeB粉和3克聚丙烯酸分散劑，球磨24小時后加入引發劑和催化劑，真空除泡30分鐘，獲得固相體積分數50％的漿料。將漿料注入塑料模具，將模具在磁場中、于80℃下保溫60分鐘，脫模后真空干燥12小時即可得到磁場凝膠注模成型磁體坯體；坯體經燒結、熱處理后得到NdFeB燒結磁體。這種工藝制備的燒結NdFeB磁體垂直取向方向截面的X射線衍射譜見圖1。
實施實例2Sm-Co合金粉料成分為Sm(Co0.72Fe0.17Cu0.08Zr0.03)7.5，平均粒度4.1μm；丙烯酸羥乙酯、溶劑甲苯、引發劑過氧化苯甲酰、催化劑二甲基苯胺、油酸均為分析純。
將10克丙烯酸羥乙酯溶入90毫升甲苯中制成溶液，加入840克鈦粉和6克聚丙烯酰胺分散劑，球磨24小時后加入引發劑和催化劑，真空除泡20分鐘，制得固相體積分數為50％的漿料。將所得漿料注入玻璃模具，將模具在磁場中、于60℃保溫120分鐘，模具內漿料固化為坯體，脫模后真空干燥48小時即可得到磁場凝膠注模成型磁體坯體；坯體經燒結、熱處理后得到SmCo燒結磁體。
權利要求
1.一種大尺寸稀土燒結磁體的磁場凝膠注模成型方法，其特征在于，工藝為a、將丙烯酸羥乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％均一穩定的預混液；b、向預混液中加入分散劑后，于真空操作箱中Ar氣氛下與磁粉混合；其中磁粉為混合物的10～60vol.％；使用的分散劑為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占磁粉質量的0.05～1.0wt％；c、將b步驟所得混合料球磨2～24小時；d、加入引發劑過氧化苯甲酰及催化劑二甲基苯胺后，將將c步驟所得漿料室溫真空除泡5～30分鐘；引發劑用量占磁粉質量的0.005～0.5wt％；催化劑用量占磁粉質量的0.001～0.01wt％；e、將漿料注入模具中，之后加熱模具至40～80℃，在磁場中保溫約30～150分鐘后脫模，室溫真空干燥12～72小時，得到稀土磁體坯體；f、坯體經真空1000℃～1400℃保溫30～300min燒結、300℃～900℃保溫30～120min熱處理，獲得稀土燒結磁體。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的模具材料為玻璃或金屬、橡膠、塑料。
全文摘要
一種大尺寸稀土燒結磁體的磁場凝膠注模成型方法，屬于粉末冶金成型技術領域。將丙烯酸羥乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％均一穩定的預混液；向預混液中加入分散劑后，于真空操作箱中Ar氣氛下與磁粉混合；將所得混合料球磨2～24小時；加入引發劑后，將漿料室溫真空除泡5～30分鐘；將漿料注入模具中，之后加熱模具至40～80℃，在磁場中保溫約30～150分鐘后脫模，真空干燥，得到稀土磁體坯體；坯體經真空燒結、熱處理，獲得稀土燒結磁體。優點在于提高磁取向度從而獲得高的磁性能，提高磁取向度從而獲得高的磁性能，成型過程不需要大型設備，操作簡便，可以在較低成本的前提下同時滿足大尺寸、復雜形狀的要求。
文檔編號B22F3/10GK1909124SQ200610112540
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年8月23日
發明者郭志猛, 李艷, 隋延力, 郝俊杰 申請人:北京科技大學