一种防开裂的烧结钕铁硼多级环及其制备方法与流程

本发明涉及烧结钕铁硼磁体，具体涉及一种防开裂的烧结钕铁硼多级环及其制备方法。

背景技术：

1、烧结钕铁硼因其优异的磁性能，被广泛应用于工业电机、伺服电机及各类精密传动部件中。其中，海尔贝克（halbach）多级环能够提供正弦分布的磁场，是高端电机转子的核心部件。

2、在传统工业生产中，海尔贝克多级环的制备通常包括：磁场模压成型得到初级生坯，随后将初级生坯套在刚性支撑芯棒上进行冷等静压（cip）二次致密化，以提高生坯密度，等静压完成后，将芯棒从生坯中抽出，再将空心生坯送入高温烧结炉进行无支撑烧结。为了追求等静压过程中的几何保型度，现有技术通常采用与模压初级生坯内径尺寸完全紧密贴合、无间隙的刚性芯棒进行支撑等静压，然后在等静压后抽出芯棒，这一方法存在的问题在于：

3、1、等静压反弹应力被刚性锁死：钕铁硼磁粉具有各向异性，在冷等静压的高压下，生坯产生塑性变形并紧紧包裹住无间隙的刚性芯棒。当泄压时，生坯会产生显著的弹性回复（反弹），由于芯棒无间隙且不可压缩，生坯向内的弹性回复受到刚性阻碍，导致环体内部积攒了极大的、各向异性分布的微观剪切应力和逆向拉应力。

4、2、高温烧结应力集中释放导致开裂：尽管等静压后抽出了芯棒，但上述积攒在生坯内部的微观内应力并未消失。在高温烧结阶段，钕铁硼会发生剧烈的体积收缩（收缩率通常高达15%-28%），且由于海尔贝克磁路的磁场取向呈正弦各向异性分布，导致不同磁极方位的径向与切向收缩率严重不均匀。这种极不均匀的收缩会瞬时激活并放大等静压阶段残留的微观拉应力，在环体内壁弱取向处或应力集中区产生微裂纹并迅速扩展，最终导致成品烧结涨裂。

5、由此可见，如何从源头上斩断等静压内应力的积聚，避免后续烧结开裂是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有技术中因等静压芯棒完全贴合而导致生坯内部积攒反弹应力，进而在高温烧结阶段诱发各向异性收缩涨裂的技术问题，目的在于提供一种防开裂的烧结钕铁硼多级环及其制备方法，通过公式精确计算等静压支撑芯棒的外径，使支撑芯棒与初级生坯内壁之间在未加压时处于可控微间隙状态，该精准的微间隙减压尺寸，为多级环的内径向内收缩预留了充足的变形空间，从而避免了刚性芯棒涨开环体而产生的拉应力，从源头上斩断等静压内应力的积聚，彻底解决了后续高温烧结时各向异性收缩引发的涨裂问题，产品微观裂纹少，成品良率高。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明的第一个目的在于提供一种防开裂的烧结钕铁硼多级环的制备方法，包括以下步骤：

4、将合金甩片依次进行氢碎、气流磨、磁场取向并压制，得到多级环初级生坯；

5、将支撑芯棒插入初级生坯中进行冷等静压；

6、抽出支撑芯棒后进行高温烧结，得到钕铁硼多级环；

7、其中，所述支撑芯棒的外径d满足以下公式：

8、d=d0×（1-a）-2q；

9、式中，d表示支撑芯棒的外径，单位mm；d0表示初级生坯的内径，单位mm；a表示初级生坯在设定冷等静压压力下的径向体积压缩率，q表示预留的弹性回复应力释放补偿量。

10、传统工艺认为芯棒必须百分之百贴合才能保型，本发明打破了这一常规偏见，通过精确计算等静压支撑芯棒的外径，使支撑芯棒的外径尺寸严格小于初级生坯的内径尺寸，两者之间引入微间隙（初级生坯内壁与支撑芯棒外径之间），在冷等静压的高压初期，生坯先发生微量的向内均匀屈服塑性收缩直至贴合芯棒；而在泄压瞬间，由于预留了补偿量q，生坯各向异性的弹性反弹获得了向内的微量自由释放空间，使得环体内部无法形成破坏性的交变剪切应力。烧结钕铁硼海尔贝克环在烧结时收缩率极高且各向异性（取向方向与非取向方向收缩率不同），本发明在等静压阶段保持了生坯内部微观结构的“零应力残留”状态，因此在高温烧结发生高达15%-20%的各向异性剧烈收缩时，环体内部不会产生应力叠加效应，能够平稳进行晶粒致密化重组，从而彻底杜绝了烧结开裂。

11、因此，本发明通过公式精确计算等静压支撑芯棒的外径，从而使支撑芯棒与初级生坯内壁之间在未加压时处于可控微间隙状态，该精准的微间隙减压尺寸，为多级环的内径向内收缩预留了充足的变形空间，从而避免了刚性芯棒涨开环体而产生的拉应力，从源头上斩断等静压内应力的积聚，彻底解决了后续高温烧结时各向异性收缩引发的涨裂问题，产品微观裂纹极少，成品良率达99%以上。

12、进一步地，a取值范围为0.5%-2%，q的取值范围为0.05-0.25mm。

13、本发明公式中，径向体积压缩率a是钕铁硼初级生坯在冷等静压下的固有物理特性，可通过查表或通过试验测得。a的取值范围设定为0.5%-2%，若a小于0.5%，说明等静压压力不足或初级生坯密度已接近极限，无法起到二次致密化的效果；若a大于2%，则表明前期磁场模压的密度过低，在等静压时变形量过大，极易破坏已经形成的磁场取向正弦度。因此，设定在0.5-2%是实现高致密度且不破坏磁性能的最佳变形区间。

14、本发明公式中，弹性回复应力释放补偿量q的大小直接决定了微间隙的控制效果，发明人经过长期研究发现，若q小于0.05mm（如接近0），间隙过小，无法为生坯提供足够的弹性回复空间，会导致反弹应力被刚性锁死，进而在高温烧结时引发开裂；若q大于0.25mm，预留间隙过大，芯棒无法在等静压初期提供有效支撑，会导致生坯过度向内收缩甚至直接塌陷损坏。因此，0.05-0.25mm 是既能“容纳回复”又能“防止塌陷”的黄金临界窗口。

15、作为优选，a取值范围为1%-2%，q的取值范围为0.15-0.25mm。

16、进一步地，所述支撑芯棒外表面ra小于0.5，且芯棒材质为铝。

17、本发明将支撑芯棒外表面粗糙度限定为ra<0.5，可确保在冷等静压泄压后，能够以极小的摩擦力顺畅地将芯棒抽出，避免刮伤生坯脆弱的内壁，如果表面过于粗糙（ra增大），脱棒时的摩擦阻力极易导致生坯内壁产生微小裂纹或缺损，进而大幅提高后续烧结的开裂率，降低良品率。

18、并且，本发明将支撑芯棒材质选择为铝，这是因为：（1）无磁性：铝属于非铁磁性材料，不会对多级环本身的磁场取向和磁性能产生干扰；（2）刚性支撑与无回弹：铝具备良好的刚性，能在生坯流转和等静压初期提供有效支撑防止生坯塌陷；更关键的是，相较于abs等高分子材料，铝在承受高压后不存在明显的弹性“回弹”效应，因此在泄压瞬间不会反向将生坯涨裂。

19、进一步地，所述合金甩片的成份按重量百分比计，包含：稀土元素28% - 33%，硼0.9% - 1.2%，微量金属元素0.1% - 5%，余量为铁，所述稀土元素选自nd和pr、dy、tb中的至少一种，所述微量金属元素选自al、cu、ga、co、zr中的至少一种。

20、进一步地，所述合金甩片进行氢碎和气流磨后，得到平均粒径d50为2.5-5.0 μm的各向异性钕铁硼磁粉。

21、进一步地，所述磁场取向并压制具体为：在1.5-2.5t的取向磁场下进行磁场取向，并在20-50mpa的成型压力下进行压制。

22、进一步地，所述冷等静压压力为150-250mpa，保压时间为 1-5min。

23、进一步地，所述高温烧结温度为1050-1120℃，烧结时间为2-5h。

24、本发明的第二个目的在于提供一种防开裂的烧结钕铁硼多级环，由前述的方法制备得到。

25、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

26、1、本发明通过公式精确计算等静压支撑芯棒的外径，从而使支撑芯棒与初级生坯内壁之间在未加压时处于可控微间隙状态，该精准的微间隙减压尺寸，为多级环的内径向内收缩预留了充足的变形空间，从而避免了刚性芯棒涨开环体而产生的拉应力，从源头上斩断等静压内应力的积聚，彻底解决了后续高温烧结时各向异性收缩引发的涨裂问题，产品微观裂纹极少，成品良率达99%以上。

27、2、本发明支撑芯棒与初级生坯内壁之间预留了合理的弹性回复空间，泄压后生坯不会紧紧卡死或咬死芯棒，抽棒过程极为顺畅，不仅保护了生坯内壁不被刮伤，还使支撑芯棒和橡胶包套的损耗率降低了80%以上，极大地延长了等静压包套与支撑芯棒寿命。