专利名称：一种定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法
技术领域：
本发明涉及一种定向凝固钕铁硼合金铸锭的方法。
背景技术：
钕铁硼永磁合金自1983年问世以来，由于具有高性能、低价格的特点，起到了对生物医疗器械和新能源汽车等行业发展的推动作用，钕铁硼自身产业发展迅速，已被广泛应用于信息、医疗和节能等高科技领域。国内钕铁硼产业虽然起步较晚，但由于我国拥有丰富的稀土资源储备以及强大的市场需求，因而发展十分迅速，产量呈逐年增加趋势。目前，我国已经成为钕铁硼永磁合金材料的重要出口国，总产量位居世界之首。但我国钕铁硼永磁材料产业的发展仍面临巨大阻碍。一方面由于我国厂家生产的产品磁性能远低于欧美、日本等发达国家，售价仅及发达国家高端产品的一半。另一方面由于我国主要生产厂商不拥有自主知识产权，造成产品出口受阻，产品积压形成对国内市场的压迫。高性能钕铁硼永磁材料的新型制备工艺研究已成为国内外学者共同关心的课题。目如,民品工业生广商品钦铁砸磁体最大磁能积已经从最初的278. 5kJ/m3提闻到目前的400kJ/m3，但与理论计算值相比仍存在较大差异。随着钕铁硼磁体在各个技术领域中的应用日益广泛，市场对磁体的磁能积和矫顽力提出了更高的要求。目前制备高性能钕铁硼磁体的主要方法是烧结法，而烧结法前期要求获得组织优异的铸锭。烧结法对于用于制粉的铸锭中各相的取向、分布的要求都比较严格，因此，对高性能钕铁硼合金铸锭制备新工艺以及组织性能的研究具有十分重要的工程意义。冷坩埚定向凝固技术由于其具有软接触无污染、可以实现高温度梯度定向凝固等特点，已被成功应用于T1-Al、Nb-Si和多晶硅等材料定向凝固的研究。与结构材料T1-Al、高温超导材料Y-Ba-Cu-O等很多先进的结构材料和功能材料一样，钕铁硼合金中也存在包晶转变，近年来包晶合金在凝固过程中出现的新现象和新成果备受关注。因此，对于化合物型包晶相的典型代表，研究钕铁硼合金中小平面包晶相和非小平面初生相在冷坩埚定向凝固条件下的的生长特性具有很强的理论意义。加强对钕铁硼合金凝固过程的认识也将对钕铁硼永磁材料的工业生产起到指导作用。许多先进的结构材料和功能材料都希望获得定向凝固组织以尽可能多的发挥其潜能，如TiAl、NbSi, AlNiCo, NiMnGa, NdFeB等，钕铁硼合金作为化合物型包晶相合金的典型代表，研究其定向凝固规律具有很强的理论意义。目前，对于钕铁硼合金定向凝固组织的研究主要采用区熔A1203陶瓷管的方法，由于Nd元素极其活泼，在高温下很容易引入A1、0等杂质，因此需要寻找新的方法来研究钕铁硼合金定向凝固组织。电磁冷坩埚定向凝固工艺采用感应线圈产生涡流加热固体使其熔化，采用液态金属冷却，以获得较高温度梯度，并通过调整抽拉速度控制晶体生长速率，目标是获得表面质量光滑，内部组织定向的合金铸锭。在冷坩埚定向凝固实验中，加热功率、抽拉速度、线圈高度、线圈匝数和冷却方式等都是影响定向效果的重要因素。由于将冷坩埚定向凝固技术尚未应用于钕铁硼合金，因此需要探索适用于钕铁硼合金冷坩埚定向凝固工艺的工艺，使得定向凝固顺利进行，并获得表面质量完好，内部组织定向的钕铁硼合金铸锭。
发明内容
针对现有的钕铁硼永磁材料存在磁性能低的问题，以及市场对钕铁硼永磁材料的磁能积和矫顽力都提出了更高要求的问题，本发明提供一种定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，可有效提闻钦铁砸永磁材料的性能。所述目的是通过如下方案实现的一种定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，钕铁硼棒料的上端固定 在上送料杆上，钕铁硼棒料的下端部伸在水冷铜坩埚中，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，结晶器内设置有下抽拉杆，下抽拉杆上端固定有底料，所述电磁感应线圈的加热功率为45 50kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 5 1. 2mm/min。所述电磁感应线圈的加热功率为45kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 5mm/min。所述电磁感应线圈的加热功率为50kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 8mm/min。所述电磁感应线圈的加热功率为49kW，下抽拉杆的抽拉速度为1. 2mm/min。线圈顶部相对于坩埚底部的高度为Ii1为93mm，底料上表面相对于坩埚底部的高度h2为75mm，钕铁硼棒料底面与底料的引熔料头之间的距离h3为5mm。所述定向凝固钕铁硼铸锭的母棒料的牌号为XQP14-12，规格为Φ 150 X 60mm的钕铁硼合金铸锭。所述水冷铜坩埚为开缝结构，所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。水冷铜坩埚上连接有具有二维定心功能的三爪卡具，所述钕铁硼棒料从三爪卡具的中心穿过，所述三爪卡具的结构为环状圆心通孔周向上均布有三个卡夹，所述卡夹边缘固定有夹片，所述夹片上设置有通孔，通孔上设置有顶丝。所述水冷铜坩埚内壁周向上设置有梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内。所述梯形凸台具有上倾斜表面和下倾斜表面，所述上倾斜表面、下倾斜表面与水平面间的夹角都为45°。本发明采用的冷坩埚定向凝固技术，通过电磁推力实现熔体与坩埚的软接触，可有效降低钕铁硼合金熔铸过程中的熔体污染，并且提高了钕铁硼永磁材料的性能。。
图1是本发明所述方法采用的电磁冷坩埚约束成型与定向凝固设备的结构示意图。图2是实施例一所述的安装位置关系示意图。图3是水冷铜坩埚的横截面结构示意图。图4是三爪卡具的结构示意图。图5是加热功率为45kW时不同抽拉速度试样表面质量比较照片，自左向右a、b、c铸锭的抽拉速度依次为O. 2mm/min, O. 5mm/min, O. 8mm/min。图6是加热功率为50kW时不同抽拉速度试样表面质量比较照片，自左向右d、e、f > g 铸淀的抽拉速度依次为 O. 2mm/min、0. 5mm/min、0. 8mm/min>1. lmm/min。图7是抽拉速度为O. 8mm/min时得到的试样表面质量照片图，其中左侧试样加热功率为45kW，右侧为50kW。图8是定向凝固钕铁硼试棒组织分区示意图。图9是加热功率为45kW、抽拉速度为O. 8mm/min时得到的定向凝固钕铁硼试样的宏观组织照片图。图10是加热功率为50kW、抽拉速度为O. 2mm/min时得到的定向凝固钕铁硼试样的宏观组织照片图。图11是加热功率为50kW、抽拉速度为O. 5mm/min时得到的定向凝固钕铁硼试样的宏观组织照片图。图12是加热功率为50kW、抽拉速度为O. 8mm/min时得到的定向凝固钕铁硼试样的宏观组织照片图。图13是加热功率为50kW、抽拉速度为1. lmm/min时得到的定向凝固钕铁硼试样的宏观组织照片图。图14是本发明实施例二所述方法采用的电磁冷坩埚约束成型与定向凝固设备的结构示意图。其中，1-钕铁硼棒料，2-感应线圈，3-水冷铜坩埚，4-底料，5-连接杆，6_冷却剂，7-下抽拉杆，8-开缝，9-环状圆心通孔，10-卡夹，11-夹片，12-顶丝，13-凸台。
具体实施例方式下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。实施例一本发明所述方法采用电磁冷坩埚约束成型与定向凝固设备完成，该设备主要包括以下组成部分(I)电磁场熔化系统；(2)运动系统；(3)真空系统；(4)冷却系统；(5)控制系统。其中电磁场熔化系统主要包括水冷铜坩埚和感应线圈，冷却系统主要包括对坩埚、炉体的水冷以及凝固过程中Ga-1n冷却液对于钕铁硼合金的冷却，它们与运动系统共同构成整个设备的主体部分，即成型结晶部分；真控系统由扩散泵、真空泵、真空室组成；控制系统负责定向凝固过程中精准控制加热功率、真空度、上下料棒运动速度等参量。参照图1，首先将水冷铜坩埚3置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚3外设置有电磁感应线圈2，钕铁硼棒料I的上端固定在上送料杆上，钕铁硼棒料的下端部伸在水冷铜坩埚3中，盛装有冷却剂6的结晶器置于水冷铜坩埚3的正下方，结晶器内设置有下抽拉杆7，下抽拉杆7上端通过连接杆5固定有底料4。大量研究表明，定向凝固效果与工艺参数有着直接的关系，因此，必须按照规章制度操作，使得工艺参数稳定准确，确保设备平稳运行，具体过程如下1.准备检查冷却水水流强度；将原始料棒打磨光亮，用酒精清洗；依次安装下抽拉杆、底料、感应线圈、钕铁硼上送料棒、水冷铜坩埚、屏蔽环；为防止料棒在操作过程中与坩埚壁接触，引发侧向散热导致的实验失败，本实施例在水冷铜坩埚上连接具有二维定心功能的三爪卡具，三爪卡具的结构为如图4所示，环状圆心通孔9的周向上均布有三个卡夹10，所述卡夹10的边缘固定有与卡夹10相垂直的夹片11，夹片11上设置有通孔，通孔上设置有顶丝12 ;使用时，先通过顶丝12将三爪卡具固定在水冷铜坩埚上端的侧壁上，钕铁硼棒料从三爪卡具的中心通孔穿过，便于对棒料进行定位。如图2所示，感应线圈2的顶部相对于水冷铜坩埚3底部的高度Ii1为93mm，底料4的上表面相对于坩埚3底部的高度h2为75mm，钕铁硼棒料I的底面与底料4的引熔料头之间的距离h3为5mm。水冷铜坩埚具有开缝8的结构，如图3所示，所述开缝8的形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。2.抽真空通循环水，启动机械泵，炉膛内抽真空至5Pa时，关闭机械泵阀门，反充氩气至300Pa，如此循环三次，最后一次反充氩气至350Pa。3.加热升温启动水箱泵，对加热系统通循环水，启动电源，通过调节电源的电压和电流逐步提升功率至45 50kW，对钕铁硼棒料加热熔化，本实施例采用的钕铁硼棒料的牌号为XQP14-12，规格为Φ 150 X 60mm的钕铁硼合金铸锭。4.抽拉加热至预定功率后，保温状态下，同时启动送料和抽拉电机，迅速将下抽拉速度调整到O. 2 1. 2mm/min，开始抽拉，随时观察炉内情况(熔化状况、崩料等)，定时检查送料位移和抽拉位移，确保料棒抽送比严格固定为钕铁硼送棒料横截面积与坩埚内部横截面积的反比(即Siswf=Sjtig=Z. 72:1),当抽送比大于这个固定值时,就会造成上送料棒插入熔池，进而引发上送料棒与底料熔头粘接在一起。5.关闭设备抽拉至一定位移后，调整加热电源归零，炉内充分水冷降温后，关闭循环水，打开空气阀，取出试样和坩埚等装置，封闭各个进出水口，清理炉膛，关闭炉门，实验结束。抽拉速度对试样表面质量的影响图5和图6中表示的是分别在45kW、50kW的加热功率下，不同抽拉速度所得到试样的表面质量比较，从图中我们可以看出，在抽拉速度较低的情况下(如O. 2mm/min)时,试样表面出现横向裂纹，随着抽拉速度的增加，定向凝固试样表面质量明显转好，当抽拉速度不小于O. 8mm/min时,可以得到表面光洁的完整无裂纹定向凝固试棒。对于钕铁硼合金这种定向凝固试样表面出现裂纹的现象可用力学理论加以解释，在试样表面凝壳上三相点附近取一点A, A点在轴向上所受的力主要有试样向下抽拉时所受到的摩擦力、外界给予的向下拉力、驼峰内金属熔体的静压力、表面张力等。Fm为A点受到的总的拉力，Fn为A点所能承受的最大拉力，若要产生裂纹，则必须满足条件Fm>Fn，其中
权利要求
1.一种定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，钕铁硼棒料的上端固定在上送料杆上，钕铁硼棒料的下端部伸在水冷铜坩埚中，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，结晶器内设置有下抽拉杆，下抽拉杆上端固定有底料，所述电磁感应线圈的加热功率为45 50kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 5 1. 2mm/min。
2.根据权利要求1所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述电磁感应线圈的加热功率为45kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 5mm/min。
3.根据权利要求1所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述电磁感应线圈的加热功率为50kW,下抽拉杆的抽拉速度为O. 8mm/min。
4.根据权利要求1所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述电磁感应线圈的加热功率为49kW,下抽拉杆的抽拉速度为1. 2mm/min。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于线圈顶部相对于坩埚底部的高度为h为93mm，底料上表面相对于坩埚底部的高度h2为 75mm，钕铁硼棒料底面与底料的引熔料头之间的距离h3为5mm。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述钕铁硼棒料的牌号为XQP14-12，规格为Φ 150 X 60mm的钕铁硼合金铸锭。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述水冷铜坩埚为开缝结构，所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。
8.根据权利要求7所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于水冷铜坩埚上连接有具有二维定心功能的三爪卡具，所述钕铁硼棒料从三爪卡具的中心穿过，所述三爪卡具的结构为环状圆心通孔周向上均布有三个卡夹，所述卡夹边缘固定有夹片，所述夹片上设置有通孔，通孔上设置有顶丝。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述水冷铜坩埚内壁周向上设置有梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内。
10.根据权利要求9所述的定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，其特征在于所述梯形凸台具有上倾斜表面和下倾斜表面，所述上倾斜表面、下倾斜表面与水平面间的夹角都为45°。
全文摘要
针对现有的钕铁硼永磁材料存在磁性能低的问题，以及市场对钕铁硼永磁材料的磁能积和矫顽力都提出了更高要求的问题，本发明提供一种定向凝固钕铁硼铸锭的冷坩埚制备方法，将盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，结晶器内设置有下抽拉杆，下抽拉杆上端固定有底料，所述电磁感应线圈的加热功率为45～50kW，下抽拉杆的抽拉速度为0.5～1.2mm/min。本发明采用的冷坩埚定向凝固技术，通过电磁推力实现熔体与坩埚的软接触，可有效降低钕铁硼合金熔铸过程中的熔体污染，并且提高了钕铁硼永磁材料的性能。
文档编号B22D27/04GK103008620SQ20121058372
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者丁宏升, 冯魁, 王永喆 申请人:哈尔滨工业大学