一種稀土永磁真空預(yù)熱處理設(shè)備的研制

李金偉 臧福海 邢程

摘要：釹鐵硼作為第三代稀土永磁材料，未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)前景。在諸多制備工藝中，熱壓法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。為了滿足熱壓工藝的特殊需求，采用與國(guó)外設(shè)備完全不同的技術(shù)路線，專門(mén)自主研發(fā)了可在真空條件下連續(xù)自動(dòng)裝料和快速高溫出料的釹鐵硼預(yù)熱處理設(shè)備，性能指標(biāo)完全滿足用戶需求，實(shí)現(xiàn)了釹鐵硼量產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：釹鐵硼;熱壓工藝;真空預(yù)熱處理;設(shè)備

一、前言

釹鐵硼作為第三代稀土永磁材料，具有體積小、重量輕和磁性強(qiáng)的特點(diǎn)，是迄今為止性能價(jià)格比最佳的磁體，廣泛應(yīng)用于能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、IT、家電等行業(yè)，特別是隨著信息技術(shù)為代表的知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這為釹鐵硼產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更為廣闊的市場(chǎng)前景[1]。

釹鐵硼新興應(yīng)用以汽車(chē)電子化和機(jī)器人領(lǐng)域潛力最大。汽車(chē)隨著電子化進(jìn)程不斷深化，未來(lái)將發(fā)展成為一個(gè)大型個(gè)人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端，對(duì)高性能釹鐵硼需求將保持快速增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2016年，車(chē)用稀土永磁四大領(lǐng)域（微電機(jī)、EPS、智能啟停、電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）對(duì)高性能釹鐵硼需求量將超過(guò)2.4萬(wàn)噸。此外，隨著全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計(jì)2016年工業(yè)機(jī)器人、專業(yè)服務(wù)機(jī)器人、家用服務(wù)機(jī)器人三大領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茆S鐵硼的需求量將超過(guò)9000噸。

我國(guó)具有豐富的稀土資源，全球70%的稀土分布在我國(guó)內(nèi)蒙古白云鄂博、江西贛南和山西等地區(qū)，為我國(guó)發(fā)展稀土永磁體產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)已經(jīng)形成自己的釹鐵硼產(chǎn)業(yè)體系，依靠資源和成本優(yōu)勢(shì)，行業(yè)發(fā)展迅速，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國(guó)的磁性材料行業(yè)年增長(zhǎng)率都超過(guò)了20%。預(yù)計(jì)未來(lái)的五到十年內(nèi)，中國(guó)必將成為世界一流的稀土永磁材料供應(yīng)基地[2]。

二、熱壓釹鐵硼制備工藝的特點(diǎn)

1983年日本和美國(guó)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了釹鐵硼合金，稱為第三代永磁材料，當(dāng)Nd原子和Fe原子分別被不同的RE原子和其他金屬原子取代可發(fā)展成多種成分不同、性能不同的Nd-Fe-B系永磁材料。其制備方法主要有燒結(jié)法、還原擴(kuò)散法、熔體快淬法、粘結(jié)法、鑄造法等，其中燒結(jié)法和粘結(jié)法在生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛[3]。

由于釹鐵硼特殊的材料特性和晶相結(jié)構(gòu)，必須在真空或惰性氣體負(fù)壓環(huán)境下加熱處理，其過(guò)程是將Nd-Fe-B粉末壓坯加熱到粉末基體相熔點(diǎn)以下的溫度約（0.70～0.85）T，進(jìn)行保溫處理一段時(shí)間。目的是提高壓坯密度，改進(jìn)粉末顆之間的接觸性質(zhì)，提高強(qiáng)度。使磁體具有高永磁性能的顯微組織特征[4]。

釹鐵硼磁體的主相具有四方晶格結(jié)構(gòu)，在不同方向上具有不同的彈性模量，因而各向同性的納米晶釹鐵硼磁體在熱變形過(guò)程中晶粒的易磁化軸發(fā)生沿壓力方向的擇優(yōu)取向，根據(jù)這一原理可以實(shí)現(xiàn)納米晶釹鐵硼磁體的熱變形取向[5]。近年來(lái)，熱壓（熱變形）工藝開(kāi)始用于高性能釹鐵硼的制備。采用粉末冶金工藝制備的磁體的最大磁能積目前已達(dá)到4.76×10T·（A/m），采用熱壓熱變形工藝制備的磁體的最大磁能積也已達(dá)到4.352T·（A/m） 。與燒結(jié)工藝相比，熱壓熱變形法制備的釹鐵硼永磁材料具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：①工藝溫度低（580～900℃）;②工藝時(shí)間短（3～10min）;③無(wú)擴(kuò)散;④晶粒小（粒徑50～150nm）;⑤抗腐蝕特性強(qiáng)。

熱壓磁體目前只有日本大同特殊鋼（Daido Steel）株式會(huì)社一家公司能夠批量生產(chǎn)，我國(guó)本土企業(yè)批量生產(chǎn)至今仍是空白。成都銀河磁體有限公司自2012年開(kāi)始技術(shù)攻關(guān)，計(jì)劃在2016-2018年，年產(chǎn)300噸熱壓磁體項(xiàng)目正式投產(chǎn)[6]。

熱壓工藝一般分為制粉、壓坯、熱壓、機(jī)加工幾道工序。其中制粉、壓坯、機(jī)加工與燒結(jié)法工藝一致，核心是熱壓工序。目前技術(shù)上可行的解決方案有兩種：一是將磁坯置于加壓腔中，然后升溫至900℃，其缺點(diǎn)是此過(guò)程只能進(jìn)行單件處理，生產(chǎn)效率太低，基本只能用于實(shí)驗(yàn)或中試;二是先將磁坯批量預(yù)熱，然后置于保溫壓機(jī)中加壓，由于可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理，生產(chǎn)效率成倍提高，但缺點(diǎn)是從預(yù)熱設(shè)備移動(dòng)到保溫壓機(jī)的過(guò)程中，磁坯處于非加熱降溫狀態(tài)，因此必須盡可能縮短移動(dòng)時(shí)間。試驗(yàn)證明，在密封環(huán)境中，高溫磁坯在10s以內(nèi)溫降小于50℃，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。

三、釹鐵硼真空預(yù)熱處理的技術(shù)難點(diǎn)

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，全球唯一量產(chǎn)熱壓磁體的日本大同公司的專利技術(shù)是上述第二種方案，采用網(wǎng)帶式氣氛保護(hù)熱處理爐對(duì)磁坯進(jìn)行連續(xù)預(yù)熱，然后通過(guò)專用輸送裝置，將高溫磁坯快速送至多個(gè)真空壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行熱壓[7]，屬于一對(duì)多架構(gòu);而成都銀河磁體自主研發(fā)的技術(shù)路線是每臺(tái)真空壓機(jī)直聯(lián)一臺(tái)小型預(yù)熱處理爐，通過(guò)人工定時(shí)批量添加磁坯實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，屬于一對(duì)一架構(gòu)，技術(shù)水平和生產(chǎn)效率相對(duì)落后;但如果能實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下的自動(dòng)裝卸料問(wèn)題，則生產(chǎn)效率可與日本持平，反而在多品種、小批量的定制化柔性智能制造中優(yōu)勢(shì)明顯。

以上兩種架構(gòu)的不同在于預(yù)熱處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，日本架構(gòu)由于采用氣氛保護(hù)爐預(yù)熱，不涉及真空，其技術(shù)難點(diǎn)主要集中在高速輸送裝置的設(shè)計(jì)上，我國(guó)架構(gòu)由于預(yù)熱爐和真空壓機(jī)是聯(lián)通的，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

1）如何實(shí)現(xiàn)在高溫真空環(huán)境下磁坯的位置移動(dòng);

2）如何實(shí)現(xiàn)在預(yù)熱完成后，高溫磁坯在真空環(huán)境下的快速出爐及準(zhǔn)確定位;

3）如何實(shí)現(xiàn)在保證預(yù)熱磁坯連續(xù)熱壓的條件下，待燒磁坯的自動(dòng)裝載;

4）滿足高溫真空環(huán)境下的磁坯載具的材料選擇;

四、設(shè)備原型設(shè)計(jì)及存在的缺陷

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，并在了解用戶的其他需求的基礎(chǔ)上，我們提出了以下設(shè)計(jì)原型：

其主要設(shè)計(jì)思路是：

●設(shè)備的主體是一臺(tái)帶耐熱馬弗管的加熱爐，用于實(shí)現(xiàn)高溫真空;

●加熱爐兩側(cè)布置兩個(gè)帶插板閥的真空置換上料倉(cāng)，可以一次放入多個(gè)磁坯;兩個(gè)上料倉(cāng)輪流使用，保證工藝節(jié)拍的連續(xù)性;

●磁坯先放在小托盤(pán)，再放在大托盤(pán)上;上料推進(jìn)器將一個(gè)大托盤(pán)推至橫向位置，橫向推進(jìn)器依次將一個(gè)小托盤(pán)推至加熱爐內(nèi);主推進(jìn)器將多個(gè)小托盤(pán)推進(jìn)一個(gè)工位;

●一側(cè)上料倉(cāng)推空后，真空閥關(guān)閉，人工開(kāi)始裝料;而同時(shí)另一側(cè)真空閥開(kāi)啟，上料動(dòng)作繼續(xù);利用另一側(cè)上料的時(shí)間段完成一側(cè)裝料后的真空置換;

●爐尾出口處布置一臺(tái)鏈?zhǔn)娇焖佥斔蜋C(jī)構(gòu)，將一個(gè)小托盤(pán)快速輸送至真空壓機(jī)室內(nèi)，壓機(jī)室內(nèi)的機(jī)械手將高溫磁坯取走，鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)再帶著空托盤(pán)快速回退，由出口橫向推進(jìn)器將小托盤(pán)推至冷卻存放區(qū)進(jìn)行冷卻，并由人工定期回收;

原型完成后，我們進(jìn)行了詳細(xì)方案論證和關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在一些嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題：

1）磁坯需要大小兩個(gè)托盤(pán)放置，兩種托盤(pán)都需要人工回收，勞動(dòng)頻率高，效率低;

2）金屬鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在高溫下工作，鏈條節(jié)距隨溫度變化而改變，出現(xiàn)嚙合和潤(rùn)滑問(wèn)題，并產(chǎn)生輸送抖動(dòng)，使小托盤(pán)錯(cuò)位，對(duì)機(jī)械手抓取定位造成嚴(yán)重影響;鏈條壽命也大打折扣;

3）左右兩個(gè)真空置換上料倉(cāng)增加了真空泄漏的可能性，邏輯動(dòng)作的復(fù)雜程度，制造成本都大打增加，設(shè)備的可靠性也不高;

4）對(duì)比試驗(yàn)了多種金屬和非金屬小托盤(pán)，金屬托盤(pán)的高溫?zé)嶙冃螌?duì)定位精度影響很大;非金屬托盤(pán)的表面粗糙度

五、真空連續(xù)推舟爐的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

根據(jù)設(shè)計(jì)原型暴露的問(wèn)題，在多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，我們對(duì)原型進(jìn)行了重大技術(shù)調(diào)整，最終完成的真空連續(xù)推舟爐結(jié)構(gòu)如圖所示：

上料區(qū)???? 不銹鋼腔體設(shè)計(jì)，鏈傳動(dòng)循環(huán)，托盤(pán)均勻固定在環(huán)形布置的滾子鏈上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)模式，自動(dòng)模式按工步動(dòng)作，手動(dòng)模式可點(diǎn)動(dòng)及正反轉(zhuǎn)。便于操作人員從放料窗口放置產(chǎn)品。頂部設(shè)計(jì)為玻璃材質(zhì)，便于觀察產(chǎn)品剩余情況。放料時(shí)關(guān)閉與循環(huán)線連接處的插板閥，打開(kāi)手動(dòng)模式，點(diǎn)動(dòng)方式，循環(huán)放置產(chǎn)品，放滿產(chǎn)品后，抽真空、充氬氣后打開(kāi)插板閥。

回轉(zhuǎn)線體???????? 不銹鋼腔體設(shè)計(jì)，電缸推進(jìn)，空托盤(pán)循環(huán)線;

加熱區(qū)???? 不銹鋼管內(nèi)馬弗設(shè)計(jì)，加熱區(qū)可容納多只工件，爐管前后端設(shè)計(jì)耐高溫?fù)趸鸷煟３譅t內(nèi)高溫。

機(jī)械手?;??? 可以分別從水平（X軸）垂直（Z軸）方向運(yùn)動(dòng)，從上料區(qū)抓取工位，抓取產(chǎn)品后，放置到循環(huán)線的空托盤(pán)上。

與原型機(jī)相比，其特點(diǎn)是：

1）采用在加熱爐回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上部布置單真空置換倉(cāng)結(jié)構(gòu)，磁坯直接放置在循環(huán)鏈條上，通過(guò)二軸機(jī)械手抓取到橫送位置，增加了設(shè)備可靠性;

2）取消了大托盤(pán)，小托盤(pán)在回轉(zhuǎn)線體上自動(dòng)循環(huán)，無(wú)需人工取放，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和能源利用率;

3）將鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)改為多段齒條式，消除了熱變形，輸送平穩(wěn)，避免了小托盤(pán)錯(cuò)位。

該設(shè)備達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

爐膛尺寸：φ120×1200mm（D×L）;

長(zhǎng)期工作溫度：700～850℃，最高溫度900℃;

加熱元件：FEC加熱器; 加熱區(qū)長(zhǎng)度：900mm;

控溫點(diǎn)數(shù)：3點(diǎn); 控溫精度：±1℃;

控溫方式：溫控儀控溫，PID參數(shù)自整定;

爐膛氣氛：氬氣; 爐膛均勻性：±5℃;

最大加熱功率：10kw; 空爐保溫功率：5kw;

工件進(jìn)出節(jié)拍：1件/min; 操作界面：觸摸屏;

真空度：≤10pa; 爐體表面溫升：≤35℃;

報(bào)警保護(hù)：超溫、斷偶、低氣壓聲光報(bào)警;

六、結(jié)論與思考

該設(shè)備研制成功后，所有性能指標(biāo)均達(dá)到了用戶提出的技術(shù)需求，由于采用與國(guó)外設(shè)備完全不同的架構(gòu)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了國(guó)外在高端量產(chǎn)釹鐵硼領(lǐng)域的壟斷。在半年的使用過(guò)程中，也暴露了一些問(wèn)題：如單置換倉(cāng)仍然存在人工裝料，效率受限;齒條式快速輸送機(jī)構(gòu)在高溫下存在精確定位缺陷，這在以后的設(shè)計(jì)研發(fā)中要加以克服。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李金偉（1991—），男，安徽省人，碩士，北京化工大學(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)楣I(yè)電加熱設(shè)備，現(xiàn)就職業(yè)于中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十三研究所合肥恒力裝備有限公司電熱技術(shù)部。