专利名称：大尺寸稀土烧结磁体的磁场凝胶注模成型方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金成型技术领域，特别是提供了大尺寸稀土烧结磁体的磁场凝胶注模成型方法。
背景技术：
目前，Nd-Fe-B系或者Sm-Co系稀土烧结磁体生产主要采用传统粉末冶金压制工艺。在磁场压制成型过程中，磁粉在磁场中取向度的改善是提高永磁体磁性能的关键因素。但是，磁粉在取向转动过程中将遇到阻力。阻力主要来自于粉末颗粒相互接触时产生的摩擦力、粉末形状不规则造成的机械阻力及磁粉与模具之间的摩擦力。并且作为一种微米量级粉末，磁粉由于粉末之间的范德华力、London力和磁力的相互作用，粉末团聚成二次粉末颗粒，使粉末流动性变差，给压制成型粉末颗粒磁场取向增加了困难。
为了获取高取向度稀土烧结磁体，研究者把目光投向湿法成型工艺，希望借助液体的良好流动性减小悬浮于其中的粉末之间的摩擦力，在较低的取向场下实现取向的一致性。粉末注射成型(Powder Injection Molding，PIM)是近年来国际上较引人注目的一项新型粉末冶金近净成型技术。Lee S.H.将粒径为5μm、形状不规则的Nd14.7Fe64.1Co12.9A10.8Zr0.6B6.9磁粉与粘结剂石蜡在惰性气氛中于80℃混炼10min，然后在注射温度85℃、注射压力19.4MPa及8kOe外加磁场的作用下注射成型，在氢气或氩气气氛中600～800℃进行热脱脂，在真空中1100℃下烧结1h，得到了最大磁能积为232kJ/m3的磁体。Yamashita O.采用甲基纤维素水溶液作粘结剂在283K下熔炼，在20℃的注射温度，80℃的模具温度，1.35MA/m的取向磁场作用下，用1.7MPa的压力注射成型；脱粘结剂、脱氢后的生坯在真空中300℃下保持0.5h、在1120℃真空烧结4h，随后在500℃真空退火2h，获得的磁体的磁能积与传统工艺生产的基本相当。
但是，一般而言，注射成型烧结Nd-Fe-B需要添加15％～50％体积百分数的热塑性聚酯(如聚酰胺、聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯等)作为粘结剂，高温混炼过程以及有机物的热解脱除过程极易使Nd-Fe-B氧化、增碳，而合金中的残碳及氧含量太高均会使磁体的磁性能受损；并且，大量有机粘结剂的漫长脱除过程使大尺寸零件的粉末注射成型难以实现。另一方面，注射成型的喂料是将磁粉分散在有机物中得到的，因此在注射成型及取向过程中，喂料的粘度对磁粉的取向有着强烈的影响。
凝胶注模成型(gelcasting)由美国橡树岭国家实验室M.A.Janney教授等人于20世纪90年代初发明，是近年倍受关注的一种复杂形状陶瓷或金属部件近净尺寸成型方法。其成型机理是将有机单体与溶剂配制成一定浓度的预混液，金属或陶瓷粉末悬浮于其中制成低粘度、高固相含量的浓悬浮体，加入引发剂及催化剂之后，将这种浓悬浮体(浆料)注入非多孔模具中，在一定的温度条件下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。坯体经干燥、烧结得到致密产品。其优点是易成型大尺寸、复杂形状制品，成型坯体密度均匀、强度高、不需专门的脱脂工序。
发明内容
本发明的目的在于提供大尺寸稀土烧结磁体的磁场凝胶注模成型方法，采用磁场凝胶注模成型工艺实现大尺寸、高磁性能的复杂形状大件稀土烧结磁体的生产。
本发明适用稀土烧结磁体为Sm-Co系烧结磁体及Nd-TM-B系烧结磁体，其中TM表示Fe或者Fe和Co。
本发明是将丙烯酸羟乙酯溶入甲苯配制成一定浓度的预混液，向预混液加入分散剂后于真空操作箱中Ar气氛下与稀土磁粉混合搅拌并注入球磨罐，经球磨获得悬浮浆料，真空除泡后加入引发剂及催化剂，之后将这种浓悬浮体浆料注入非多孔模具中，在一定的温度条件及磁场强度下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。坯体经干燥、烧结、热处理后获得稀土烧结磁体。具体工艺如下a、将丙烯酸羟乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％(vol.％为体积百分比)均一稳定的预混液；b、向预混液中加入分散剂后，于真空操作箱中Ar气氛下与磁粉混合；其中磁粉为混合物的10～60vol.％；使用的分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占磁粉质量的0.05～1.0wt％(wt％为质量百分比)；c、将b步骤所得混合料球磨2～24小时；d、加入引发剂过氧化苯甲酰及催化剂二甲基苯胺后，将将c步骤所得浆料室温真空除泡5～30分钟；引发剂用量占磁粉质量的0.005～0.5wt％；催化剂用量占磁粉质量的0.001～0.01wt％；e、将浆料注入模具中，之后加热模具至40～80℃，在磁场中保温约30～150分钟后脱模，室温真空干燥12～72小时，得到稀土磁体坯体；f、坯体经真空1000℃～1400℃保温30～300min烧结、300℃～900℃保温30～120min热处理，获得稀土烧结磁体。
所述的模具材料为玻璃或金属、橡胶、塑料。
本发明较之其它成型技术，将凝胶注模成型技术应用于稀土烧结磁体成型主要优势在于(1)与磁场压制成型相比，凝胶注模成型作为一种湿法无压成型工艺，磁粉在液相中的悬浮状态可以降低磁粉颗粒相互接触时产生的摩擦力、由于形状不规则造成的机械阻力、磁粉与模具之间的摩擦力，使磁粉在相同外场下更大限度的排列在外磁场方向，提高磁取向度从而获得高的磁性能；(2)凝胶注模成型浆料和磁场压制成型时的粉末体可看作磁粉与不导磁的液体或气体组成的磁复合材料。在低填充率下，磁复合材料的相对磁导率μr与填充磁粉的体积成正比，即μr(V)＝1+AV式中，A-依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数；V-磁性材料填充的体积分数。
凝胶注模成型的浆料可以实现较磁场压制成型高的固相含量即高的磁粉含量而不会损害取向效果。据以上公式，取向时磁粉含量高的磁复合材料相对磁导率μr较高；而B＝μr·B0，因此磁粉含量较高的凝胶注模成型浆料中的磁场相对较高，有利于获得较高取向度；(3)凝胶注模成型所用溶剂常温下粘度低于0.01Pa·s；磁场取向时，磁粉颗粒较之于注射成型过程，向外磁场方向转动时阻力更小、动作更加容易，因此在相同外场下，凝胶注模成型稀土烧结磁体有利于获得较高取向度；(4)凝胶注模成型坯体含有机物少，并且70％～90％为易挥发溶剂、可通过干燥过程除去；溶剂挥发之后，坯体孔隙多为通孔，使其余有机物易于脱除，因此不需专门脱脂工序，可制备大尺寸零件且生产效率高；(5)凝胶注模成型稀土烧结磁体无需高温混炼及脱脂工序，并且成型过程中磁粉被液体包围不与空气中氧气接触，残氧残碳少，磁性能不会因此受损；(6)随着科技的不断进步，对磁体的精密度要求越来越高且形状越来越复杂，传统的制造技术(如压制成型)已无法经济的满足以上要求。凝胶注模成型技术可以利用价格低廉、便于获得复杂形状的石蜡、塑料等模具材料清晰地表现细节特征，并且成型过程不需要大型设备，操作简便，可以在较低成本的前提下同时满足大尺寸、复杂形状的要求，解决这个难题；(7)凝胶注模成型技术所用模具结构简单，便于各个方向外加磁场的设置，使设备成本降低。
图1为本发明制备烧结NdFeB磁体(实施例1)垂直取向方向截面的X射线衍射谱。
具体实施例方式
实施实例1NdFeB粉料为市售气流磨粉，纯度为99.9％，平均粒度3.7μm；粉料的化学成分为Nd2Fe14B基体相成分；丙烯酸羟乙酯、溶剂甲苯、引发剂过氧化苯甲酰、催化剂二甲基苯胺、油酸均为分析纯。
将30ml丙烯酸羟乙酯溶于70毫升甲苯中，加入760克NdFeB粉和3克聚丙烯酸分散剂，球磨24小时后加入引发剂和催化剂，真空除泡30分钟，获得固相体积分数50％的浆料。将浆料注入塑料模具，将模具在磁场中、于80℃下保温60分钟，脱模后真空干燥12小时即可得到磁场凝胶注模成型磁体坯体；坯体经烧结、热处理后得到NdFeB烧结磁体。这种工艺制备的烧结NdFeB磁体垂直取向方向截面的X射线衍射谱见图1。
实施实例2Sm-Co合金粉料成分为Sm(Co0.72Fe0.17Cu0.08Zr0.03)7.5，平均粒度4.1μm；丙烯酸羟乙酯、溶剂甲苯、引发剂过氧化苯甲酰、催化剂二甲基苯胺、油酸均为分析纯。
将10克丙烯酸羟乙酯溶入90毫升甲苯中制成溶液，加入840克钛粉和6克聚丙烯酰胺分散剂，球磨24小时后加入引发剂和催化剂，真空除泡20分钟，制得固相体积分数为50％的浆料。将所得浆料注入玻璃模具，将模具在磁场中、于60℃保温120分钟，模具内浆料固化为坯体，脱模后真空干燥48小时即可得到磁场凝胶注模成型磁体坯体；坯体经烧结、热处理后得到SmCo烧结磁体。
权利要求
1.一种大尺寸稀土烧结磁体的磁场凝胶注模成型方法，其特征在于，工艺为a、将丙烯酸羟乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％均一稳定的预混液；b、向预混液中加入分散剂后，于真空操作箱中Ar气氛下与磁粉混合；其中磁粉为混合物的10～60vol.％；使用的分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占磁粉质量的0.05～1.0wt％；c、将b步骤所得混合料球磨2～24小时；d、加入引发剂过氧化苯甲酰及催化剂二甲基苯胺后，将将c步骤所得浆料室温真空除泡5～30分钟；引发剂用量占磁粉质量的0.005～0.5wt％；催化剂用量占磁粉质量的0.001～0.01wt％；e、将浆料注入模具中，之后加热模具至40～80℃，在磁场中保温约30～150分钟后脱模，室温真空干燥12～72小时，得到稀土磁体坯体；f、坯体经真空1000℃～1400℃保温30～300min烧结、300℃～900℃保温30～120min热处理，获得稀土烧结磁体。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的模具材料为玻璃或金属、橡胶、塑料。
全文摘要
一种大尺寸稀土烧结磁体的磁场凝胶注模成型方法，属于粉末冶金成型技术领域。将丙烯酸羟乙酯溶于甲苯，制成5～50vol.％均一稳定的预混液；向预混液中加入分散剂后，于真空操作箱中Ar气氛下与磁粉混合；将所得混合料球磨2～24小时；加入引发剂后，将浆料室温真空除泡5～30分钟；将浆料注入模具中，之后加热模具至40～80℃，在磁场中保温约30～150分钟后脱模，真空干燥，得到稀土磁体坯体；坯体经真空烧结、热处理，获得稀土烧结磁体。优点在于提高磁取向度从而获得高的磁性能，提高磁取向度从而获得高的磁性能，成型过程不需要大型设备，操作简便，可以在较低成本的前提下同时满足大尺寸、复杂形状的要求。
文档编号B22F3/10GK1909124SQ200610112540
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者郭志猛, 李艳, 隋延力, 郝俊杰 申请人:北京科技大学