高纯度薄板状钕铁硼合金铸锭的制作方法 技术领域
本发明属于金属铸锭的制作方法，特别涉及磁性材料钕铁硼(NdFeB)合金铸锭的制作方法。
背景技术
钕铁硼(NdFeB)永磁材料的应用越来越广泛，但无论是快淬粘结NdFeB永磁还是烧结NdFeB永磁，都必须通过熔炼、浇注形成铸锭再进行其它加工。现有的钕铁硼合金铸锭多为柱状，其铸锭容易存在成分夹杂、缩松、偏析、晶粒粗大等铸造缺陷，从而影响NdFeB合金的性能。因此，研究提高NdFeB熔体的内在质量和纯净度及减少铸锭成分偏析的方法已备受人们的重视。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高纯度薄板状钕铁硼合金铸锭的制作方法，此种方法可消除成分夹杂、缩松、晶粒粗大、偏析等铸造缺陷，保证铸锭质量。
本发明的技术方案：从产生铸造缺陷的原因入手设计技术方案，“夹杂、缩松”主要是NdFeB合金熔体中的杂质和气体(如硼铁的氧化铁、磷化物和硫化物，金属钕中地氧化钕，炉体内剩余的不能完全被真空系统抽除的氧和氮等)产生的，“晶粒粗大、偏析”主要与铸锭的冷却速度有关。因此本发明的技术方案涉及NdFeB合金熔体净化和浇注后铸锭冷却速度的控制，具体措施如下。
1、净化NdFeB合金熔体
在熔炼过程中加入钙及其合金，使其与熔体中的杂质和气体发生反应，从而将杂质和气体除去；浇注时使合金熔体通过加有微孔泡沫陶瓷滤板的浇口杯进入锭模，以便通过筛分、沉积、过滤等机制除杂。熔炼过程中钙及其合金的加入应在钕铁硼合金各组元充分熔化之后，加入量为钕铁硼合金总量的0.1～0.5％，钙为金属钙，钙合金为钙铝合金或钙镁合金或钙锂合金或钙钡合金。微孔泡沫陶瓷滤板由氧化铝或氧化锆或氧化铝-氧化锆微孔泡沫陶瓷制作，在选择滤板孔径时，根据产品档次和熔体清洁程度来选择。如果用ppi表示每平方英寸过滤板的孔数，ppi越大，过滤效果越好。对于高纯度的NdFeB合金铸锭，可选择30-80ppi的过滤板，其对应的孔径如表1：
表1 滤板规格与对应的孔径
过滤板规格 单胞尺寸/μm
/ppi 最小 最大
10 3800 5100
20 2300 2900
30 1640 2170
40 1250 1470
50 900 1120
65 710 860
80 600 700
2、浇注后铸锭冷却速度的控制
浇注后铸锭应快速冷却，冷却速度可控制在50-80℃/秒，本发明通过使用铜制作的扁平状锭模，并在锭模两侧接上水冷套模来实现铸锭的快速冷却。对于20kg的真空熔炼炉而言，锭模的尺寸可在120mm×100mm×20mm-200mm×170mm×40mm之间选择。
本发明具有以下有益效果：
1、由于采用钙及其合金以及微孔泡沫陶瓷对NdFeB合金熔体进行了净化，因而铸锭中夹杂的含量大大降低，从而改善组织，提高铸锭成品率；使铸锭易于破碎，降低其切削加工成本；并且非金属夹杂减少可降低缩松倾向，使铸锭密度增加。
2、由于采用了扁平的水冷铜锭模来冷却NdFeB合金熔体，冷却速度大大提高，铸锭的晶粒得到细化，铸锭的成分偏析得到一定程度的抑制，铸锭的晶粒在磁场中也易于取向。
附图说明
图1是锭模的一种结构示意图；
图2是图1的a-a剖视图；
图3是常规熔炼和常规冷却所制作的NdFeB合金铸锭中心的微观组织图；
图4是本发明所述方法制作的NdFeB合金铸锭中心的微观组织图。
图中，1—锭模、2—冷却出水管、3—冷却进水管、4—浇口杯、5—微孔泡沫陶瓷滤板。
具体实施方式
实施例1
本实施例制作成分为Nd10.5Fe76.4Co5Zr2B6.1的合金铸锭，工艺步骤如下：
(1)配料
工业纯铁 53.5％
硼 铁(含硼量为19.53％) 29.0％
金属钕 10.5％
金属钴 5％
海绵金属锆 2％
以上为重量百分数。
(2)熔炼
熔炼设备为20kg的真空熔炼炉。把NdFeB合金料装入坩埚内，把钙镁合金悬挂在坩埚上方，密闭炉体抽取真空。当真空度达到8×10-2Pa时，充氩气至0.05Mpa，然后开始熔炼，熔炼时温度控制在1500℃左右。在钕铁硼合金各组分充分熔化之后，加入钙镁合金净化熔体，钙镁合金的加入量为上述配料中各组分总量的0.2％(重量百分数)，具体操作是：将钙镁合金块悬挂在坩埚上方，待NdFeB合金各组分充分熔化后，操纵坩埚手柄让坩埚上升，使钙镁合金熔化在合金液里，待所有合金料全部熔化后，保温90-120s，然后开始浇注。
(3)浇注
锭模由铜合金制作，尺寸为200mm×170mm×40mm，锭模两侧接上水冷套模，其形状、构造如图1和图2所示。锭模浇口杯上所覆盖的微孔泡沫陶瓷滤板由氧化铝制作，规格为50ppi。熔融合金出炉后，通过加有微孔泡沫陶瓷滤板的浇口杯进入锭模，浇注温度在1600℃左右。
冷却后脱模即可得到薄板状钕铁硼合金铸锭。
不同的制作工艺对Nd10.5Fe76.4Co5Zr2B6.1合金铸锭杂质含量的影响见表2。将得到的铸锭在相同条件下进行快淬、晶化后制成粘结磁体，其性能见表3。
表2 不同制作方法对Nd10.5Fe76.4Co5Zr2B6.1合金铸锭的杂质含量影响
制作方法 氧含量％ 杂质总量％
常规制作方法 0.04 0.19
添加钙合金的制作方法 0.02 0.14
含微孔泡沫陶瓷过滤的制作方法 0.04 0.09
添加钙合金和含微孔泡沫陶瓷过滤的制作 0.02 0.08
方法
表3 不同制作方法对Nd10.5Fe76.4Co5Zr2B6.1磁体磁性能的影响
制作方法 Br/T Hcb/kA·m-1 Hcj/kA·m-1 (BH)m/kJ·m-3
常规制作方法 0.645 399 604 69
添加钙合金的制作方法 0.649 404 600 70
含微孔泡沫陶瓷过滤的制作方法 0.656 402 598 71
添加钙合金和含微孔泡沫陶瓷过滤
0.659 419 628 73
的制作方法
从表2、表3可以看出，由于钙合金和微孔泡沫陶瓷的过滤作用，熔体中的夹杂减少，因而最终的磁性能得到提高。
实施例2：
本实施例制作Nd32.8Fe66.1B1.1合金铸锭，工艺步骤如下：
(1)配料
工业纯铁 38.2％
硼 铁(含硼量为19.53％) 29.0％
金属钕 32.8％
以上为重量百分数。
(2)熔炼
熔炼设备为20kg的真空熔炼炉，熔炼工艺参数及操作同实施例1，在钕铁硼合金各组分充分熔化之后，加入金属钙净化熔体，金属钙的加入量为上述配料中各组分总量的0.5％(重量百分数)，具体操作是：将金属钙块悬挂在坩埚上方，待NdFeB合金各组分充分熔化后，操纵坩埚受柄让坩埚上升，使金属钙熔化在合金液里。
(3)浇注
锭模由铜制作，尺寸为180mm×150mm×30mm，锭模两侧接上水冷套模，其形状、构造如图1和图2所示。锭模浇口杯上所覆盖的微孔泡沫陶瓷滤板由氧化锆制作，规格为40ppi。熔融合金出炉后，通过加有微孔泡沫陶瓷滤板的浇口杯进入锭模，浇注温度在1600℃左右。
冷却后脱模即可得到薄板状钕铁硼合金铸锭。
下面给出常规制作方法与本实施例所述方法制作的Nd32.8Fe66.1B1.1合金铸锭的磁性能和铸锭中心的微观组织比较。常规制作方法与本实施例所述方法制作的Nd32.8Fe66.1B1.1合金铸锭的磁性能见表4，常规制作方法制作的Nd32.8Fe66.1B1.1合金铸锭的中心微观组织见图3，本实施例所述方法制作的Nd32.8Fe66.1B1.1合金铸锭的中心微观组织见图4。
表4 不同制作方法对Nd32.8Fe66.1B1.1磁体磁性能的影响
(BH)m/kJ·m-3
制作方法 Br/T Hcb/kA·m-1 Hci/kA·m-1 p/g·cm-3
常规 1.13 510 500 227 7.42
本实施例 1.21 520 528 251 7.53
从图中可看到，常规方法制作的铸锭(见图3)为粗大的等轴晶组织，本实施例所述方法制作的铸锭(见图4)为柱状晶组织。图3中，在Nd2Fe14B基体相周围有较多的白色的富Nd相，并且还有大量粗大的α-Fe相析出(黑色斑点)，由于α-Fe相的析出必将导致主相Nd2Fe14B的减少，晶间富Nd相的增加，破坏了主相与富Nd相的最佳配比，不但引起成分偏析，而且还损害了主相晶粒的磁场取向，烧结期间局部区域的晶粒容易过分长大，从而影响最终磁体的性能。图4中，在铸锭的中心部分并没发现粗大的等轴晶组织。这是由于薄板铸锭较薄，又是双向冷却，同时散热速度又快，始终能保持定向散热，大大提高铸锭的冷却速度，满足柱状晶的生长条件，故薄板铸锭中心几乎都是柱状晶。与传统铸锭的显微组织相比，薄板铸锭的晶粒要小得多，富Nd相较薄，分布也比较均匀，几乎没有α-Fe相的偏析。
由上可知，本实施例得到的Nd32.8Fe66.1B1.1铸锭的微观组织比常规方法得到的Nd32.8Fe66.1B1.1铸锭的微观组织要细小均匀，因而其磁性能较高。由于过滤能明显减少非金属夹杂和气体含量，熔体流动性提高，自补缩能力提高，缩松倾向降低，因而制得的磁体密度也较高。