工藝奧秘：燒結釹鐵硼成型工藝全揭密

與傳統的粉末冶金工藝相比，釹鐵硼的成型具有磁場(chǎng)取向和氧化防護這兩大特點(diǎn)，成型過(guò)程基本決定了磁體的幾何形狀、尺寸和取向度，是燒結釹鐵硼制備的關(guān)鍵環(huán)節，成型一般分為干壓和濕壓兩大類(lèi)。

一、濕法成型

濕法成型工藝在功能陶瓷等領(lǐng)域應用廣泛。2001年，日立公司以礦物油等作為溶劑，通過(guò)添加表面活性劑油酸甲酯，制備出了Br = 1.46 T (14.6 kG)、1.20 MA/m (15.1 kOe)的高性能磁體。有機試劑的潤滑作用可以提高粉末的流動(dòng)性和取向度，從而制備出高均勻性的壓坯，但濕法成型工藝較為復雜，效率極低，在燒結過(guò)程中溶劑大量釋放會(huì )損傷真空系統，并且殘留的碳也會(huì )對磁體性能造成影響，因此濕法成型的方式逐漸被放棄。

二、干法成型

經(jīng)過(guò)磁材從業(yè)人員的多年實(shí)踐和改進(jìn)，干法模壓成型成為了規模量產(chǎn)首選的方式。磁粉在一定形狀的模腔中磁場(chǎng)取向，壓頭合模完成對壓，然而生坯密度增大的同時(shí)取向不可避免的會(huì )受到破壞。干法成型根據磁場(chǎng)方向與壓制方向的對應關(guān)系又可分為平行壓和垂直壓兩類(lèi)，其中垂直壓方式由于對粉末取向度的破壞較小而被更廣泛的采用。國內多采用兩步壓制法，即生坯密度壓至3.8-4.1g/cm3，然后采用等降壓（180MPa左右）提高壓坯密度（約4.5g/cm3）而不破壞已有的取向水平。這種方式自動(dòng)模、組合模等各類(lèi)模具均可試用，生產(chǎn)效率高，性能穩定。但垂直壓機壓制，等靜壓成型，后磨削、切片加工的方法，存在以下缺點(diǎn)：

（1）由于坯料變形量及氧化層的限制，造成毛坯加工余量多，出材率低；

（2）二次壓制方式需要在生坯后真空塑封，工藝周期長(cháng)，自動(dòng)化程度低；

（3）取向度在合模壓制過(guò)程仍會(huì )受到破壞。

目前努力改進(jìn)的主要方向一是取消等靜壓，實(shí)現成型到燒結過(guò)程的自動(dòng)化生產(chǎn)；二是采用無(wú)壓成型等方式進(jìn)一步提升取向度；另外針對瓦型、環(huán)形、薄片和各類(lèi)形狀復雜的異型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出近終成型工藝和無(wú)加工成型工藝，直接生產(chǎn)出與最終成品形狀相等或接近的產(chǎn)品。

1.一次成型工藝

通過(guò)增加成型壓機的壓強，將生坯密度提升至4.2g/cm3以上，從而取消等靜壓，全自動(dòng)成型壓機壓制后通過(guò)機械手自動(dòng)碼放進(jìn)燒結盒，經(jīng)惰性氣體防護下的密封通道傳送至連續式燒結爐，通過(guò)插板閥入爐，實(shí)現了自動(dòng)化生產(chǎn)，減少人工成本，并且全過(guò)程都在低氧環(huán)境下進(jìn)行，有利于工藝和性能的穩定性。

2.無(wú)壓成型

圖2 無(wú)壓成型

為消除模壓過(guò)程對取向度的破壞，以松裝狀態(tài)或微壓狀態(tài)下進(jìn)行取向，帶模具進(jìn)行真空或高壓燒結。該方式對模具材質(zhì)、磁導率和內腔壁粗糙度要求較高，但由于粉末間隙過(guò)大，僅依靠燒結過(guò)程中毛細作用致密化難度較大，容易收縮變形。

3.橡皮膜等靜壓脈沖磁場(chǎng)成型

填充磁粉后的橡膠模置于金屬模中，通過(guò)脈沖磁場(chǎng)取向，金屬壓頭將橡膠膜和磁粉壓縮，由于受到金屬模腔的限制，橡皮模向內腔膨脹，將其等靜壓力施加到粉末樣品上，由于模腔內壁與粉末間不產(chǎn)生相對運動(dòng)，取向度得到了較好的保持。但由于橡膠膜與鋼模硬度及楊氏模量的差異，壓坯易產(chǎn)生非均勻變形。

4.近終成型工藝（單片壓）

平行壓機磁場(chǎng)取向和壓制方向相同，因此對取向破壞程度遠高于垂直壓，并且由于取向極頭尺寸的限制，產(chǎn)品壓制面積較小。但平行壓方式由于喂料和取向的優(yōu)勢，可以一次近終成型壓圓柱、圓環(huán)、異型和單片產(chǎn)品，壓制精度高，磁性能一致性好，減少了加工余量，提高材料利用率。但單片壓工藝對粉末流動(dòng)性、壓機（伺服控制精度、磁場(chǎng)大小及均勻性、自動(dòng)布粉等）、模具和燒結工藝等具有更高的要求。

5.3D打印技術(shù)

3D打印是一種增材制造技術(shù)，將粉末狀金屬采用逐層打印的方式構造工件。如能采用區域定向磁場(chǎng)取向主相晶粒，低溫熔融晶界相顆粒包裹主相晶粒實(shí)現磁體的致密化，理論上將可以實(shí)現高取向度、均勻晶界分布的各種尺寸和復雜形狀磁鋼的近凈成型，同時(shí)制備輻射磁環(huán)、斜充磁鋼等各類(lèi)產(chǎn)品也不再困難。因此3D打印技術(shù)一經(jīng)面世，就引發(fā)了稀土永磁研究者的關(guān)注，但晶界相除助燒結和致密化的作用外，對磁性能尤其是矯頑力具有重要作用。目前晶界相的成分、分布和晶體結構的演化對磁性能的影響機理尚未完全揭示，輔相顆粒成分和晶界尺寸的設計仍然需要技術(shù)研發(fā)人員的努力。