1.本发明属于
稀土永磁材料技术领域，涉及一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置及其方法。
背景技术：
2.钕铁硼(nd-fe-b)是目前综合磁性能较高的一类永磁材料，已被广泛应用于交通运输、医疗器械、工业机器人、家用电器等领域。钕铁硼磁体分为烧结钕铁硼磁体、粘结钕铁硼磁体和热变形钕铁硼磁体。其中，烧结钕铁硼磁体占钕铁硼磁体产量的百分之九十以上。烧结钕铁硼磁体由基体nd2fe14b相、晶界富nd相和少量的富b相组成。烧结钕铁硼磁体的制备步骤包括配料、熔炼、速凝铸造(又称鳞片铸造)、氢爆、气流磨、磁场取向、等静压、烧结、退火、电镀和充磁。
3.速凝铸造技术将熔融的钕铁硼合金液浇铸到旋转的铜辊表面，合金液快速凝固成片。速凝铸造技术的出现可以有效抑制钕铁硼铸造合金中软磁α-fe相的出现，降低合金整体稀土元素和硼元素的含量，促进了高磁能积烧结钕铁硼磁体的制备。但是，由于速凝片厚度小(～0.3mm)，冷却速度快，靠近铜辊一侧的接触面和自由面冷却速度的差异导致速凝片极易出现织构明显的树枝晶。树枝晶的出现使得富稀土相分布均匀性降低，导致后续的氢爆环节获得的颗粒尺寸均匀性差，这势必增加后续气流磨环节的困难，致使制备的粉末分布均匀性差，最终造成烧结的磁体的晶粒尺寸不均匀，磁体的矫顽力和退磁场曲线方形度低。因此，降低烧结钕铁硼磁体制备过程中速凝片的树枝晶出现是本领域亟待解决的技术难题。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置及其方法，能够有效地抑制在钕铁硼磁体速凝片制备环节中速凝片内部树枝晶的产生。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
6.本发明的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，包括熔炼炉、浇道、超声振动装置、电磁搅拌装置、铜辊；所述的超声振动装置，设置在熔炼炉和铜辊中间的浇道上；所述的电磁搅拌装置设置在所述的浇道下方；在烧结钕铁硼磁体速凝片铸造过程中，熔炼炉熔融的合金液体在浇道上流动，通过超声振动装置和电磁搅拌装置的作用下，然后浇铸到旋转的铜辊上获得钕铁硼合金速凝铸片。
7.进一步的，所述的超声振动装置，包括超声波电源、超声波换能器、超声波变幅杆、超声波振动杆；超声波振动杆固定在浇道上方2～3mm处，当熔融的合金液体通过浇道时，超声振动装置利用其超声波振动杆对流过的合金液进行振动；所述的超声波振动杆304采用三杆结构，三杆呈“品”字形分布。
8.进一步的，所述的电磁搅拌装置，包括变频电源、磁场发生器、冷水机；磁场发生器的上端面与浇道的下表面接触，当熔融的合金液体通过浇道时磁场发生器对其施加电磁搅拌。
9.进一步的，所述的超声振动装置的功率为1000w，工作频率25～50khz。
10.进一步的，所述的电磁搅拌装置的电流为100～500a，频率为3～5hz。
11.本发明的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.步骤一、在熔炼炉中放入配置好的烧结钕铁硼磁体合金原材料进行熔炼；
13.步骤二、开启超声振动装置；超声波发生装置的功率范围为500～1500w，工作频率范围为15～70khz；同时开启电磁场搅拌装置，其电流范围为50～800a，频率范围为2～8hz；然后开启铜辊转动装置，铜辊表面的线速度范围为1～3m/s；
14.步骤三、当熔融的合金液达到目标温度，将合金液浇注到浇道上，让其通过具有超声振动和电磁搅拌的浇道；
15.步骤四、经过超声振动和电磁搅拌处理的合金液浇铸到旋转的铜辊上获得钕铁硼合金速凝铸片。
16.进一步的，所述的烧结钕铁硼磁体合金的成分包括：rexfeybzmc，x、y、z和c为质量百分数，其中，re为nd、pr、ce、y、dy、tb中的一种或几种，m为cu、al、co、zr和ga中的一种或几种，x的范围：28～33，y的范围：65～70，z的范围：0.8～1.2，c的范围：0～3
17.与现有技术相比，本发明的优点和有益效果包括：
18.1.本发明采用超声波振动装置，其振动杆通过对浇道上流过的合金液进行超声振动，可以有效破碎合金液中大的晶胚，超声振动的能量可以转化成形核功，增加凝固时晶核的数量和密度，抑制能够形成树枝晶大晶胚的数量。
19.2.本发明的超声波振动装置的振动杆采用三杆结构，三杆呈“品”字形分布，和常规的单杆相比，本发明的振动装置能够更加有效对合金液进行均匀振动，对液相中大晶胚破碎效果更好。
20.3.本发明的电磁搅拌装置通过对合金液进行电磁搅拌，可以均匀化超声振动产生的细小晶胚分布，优化凝固后速凝片的组织。
21.4.由于钕铁硼合金液易发生成分偏析，本发明的超声振动和电磁搅拌还能够进一步均匀化合金液的成分，提高速凝片成分的均匀性。
22.5.本发明对浇道上液态合金进行超声振动和电磁搅拌，可以将浇道表层因散热快而凝固的结晶层打碎而重新被合金液熔化，有效保证浇注过程的顺利进行，减少浇道清洗次频次，提升速凝片的制造效率。
附图说明
23.图1是本发明的一种实施例的烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置的结构示意图。
24.图2是本发明的一种实施例的超声波振动装置的结构示意图。
25.图3是本发明的一种实施例的电磁搅拌装置的结构示意图。
26.图4(a)是本发明的实施例1制备的钕铁硼合金速凝片的背散射电子图片，图4(b)为对比例1制备的钕铁硼合金速凝片的背散射电子图片。
27.其中，100为熔炼炉，200为浇道，300为超声振动装置，400为电磁搅拌装置，500为铜辊；301为超声波电源，302为超声波换能器，303为超声波变幅杆，304为超声波振动杆，401为变频电源，402为磁场发生器，403为冷水机。
具体实施方式
28.本发明提供了一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置及其方法。在钕铁硼磁体的速凝片铸造时，在浇道上方设置超声振动装置，在浇道下方设置电磁搅拌装置，通过超声振动增加流过浇道的合金液中的形核晶胚数量，通过施加电磁搅拌引发浇道上流动合金液的扰动，均匀化晶核分布，进而抑制合金液在铜辊上快速凝固成速凝片时树枝晶的出现。与传统技术的没有经过超声振动和电磁搅拌辅助处理的钕铁硼磁体合金速凝片相比，在相同的铸造工艺条件下，经过超声和电磁搅拌辅助浇铸的钕铁硼合金铸片织构明显降低，后续经过相同工艺的氢爆和气流磨工序后，制成的粉末尺寸分布更加均匀，制备成的钕铁硼磁体矫顽力和退磁曲线方形度更高，有利于推进高性能钕铁硼磁体的制备和推广应用。
29.下面结合附图、具体实施例和对比例，对本发明做进一步详细说明。所述的各对比例为传统现有技术的烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法。
30.如图1所示，本发明的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置实施例，包括：熔炼炉100、浇道200、超声振动装置300、电磁搅拌装置400、铜辊500；在实际铸造过程中，熔炼炉熔融的合金液体在浇道200上流动，通过超声振动装置300和电磁搅拌装置400的作用下，然后浇铸到旋转的铜辊500上获得钕铁硼合金速凝铸片。
31.所述的超声振动装置300，设置在熔炼炉100和铜辊500中间的浇道上，超声振动装置包括超声波电源301、超声波换能器302、超声波变幅杆303、超声波振动杆304。如图2所示超声波振动杆304固定在浇道200上方2～3mm处，当熔融的合金液体通过浇道200时，超声振动装置300利用其超声波振动杆304对流过的合金液进行振动；所述的超声波振动杆304采用三杆结构，三杆呈“品”字形分布。
32.所述的电磁搅拌装置400设置在所述的浇道200下方。电磁搅拌装置400包括变频电源401、磁场发生器402、冷水机403。如图3所示，磁场发生器402的上端面与浇道200的下表面接触，当熔融的合金液体通过浇道200时磁场发生器402对其施加电磁搅拌；
33.经过超声振动和电磁搅拌处理的合金液浇铸到旋转的铜辊上可获得高品质的钕铁硼合金速凝铸片，可以有效抑制速凝片中出现树枝晶，并提升烧结钕铁硼磁体的磁性能。
34.超声波发生装置300的功率为1000w，工作频率25～50khz。
35.所述的电磁搅拌器400的电流为100～500a，频率为3～5hz。
36.本发明的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，包括以下步骤：
37.步骤一、在熔炼炉中放入配置好的原材料进行熔炼；
38.步骤二、开启超声振动装置，超声波发生装置的功率范围为500～1500w，工作频率范围为15～70khz，开启电磁场搅拌装置，电磁搅拌器电流范围为50～800a，频率范围为2～8hz，开启铜辊转动装置，铜辊表面的线速度范围为1～3m/s；
39.步骤三、待合金液达到目标温度，将合金液浇注到浇道上，让其通过具有超声振动和电磁搅拌的浇道；
40.步骤四、经过超声振动和电磁搅拌处理的合金液浇铸到旋转的铜辊上获得钕铁硼合金速凝铸片。
41.其烧结钕铁硼磁体合金的成分包括：rexfeybzmc，x、y、z和c为质量百分数，其中，re为nd、pr、ce、y、dy、tb中的一种或几种，m为cu、al、co、zr和ga中的一种或几种，x的范围：28～33，y的范围：65～70，z的范围：0.8～1.2，c的范围：0～3。
42.以下结合实施例和对比例，来分析说明本发明的实用效果。
43.一、实施例1
44.一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，包括以下步骤：
45.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为nd33fe65b0.8cu0.2al0.5co0.5(wt.％)的钕铁硼合金液；
46.步骤二、开启浇道上方的超声振动装置，功率为1000w，工作频率设置为25khz，开启浇道下方内置的电磁搅拌器，电流设置为100a，频率设置为3hz。
47.步骤三、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
48.步骤四，将熔炼好的合金液通过浇道的超声振动和电磁搅拌后浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
49.对比例1：
50.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为nd33fe65b0.8cu0.2al0.5co0.5(wt.％)的钕铁硼合金液；
51.步骤二、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
52.步骤三，将熔炼好的合金液通过浇道浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
53.二、实施例2
54.一种烧结钕铁硼磁体速速凝片铸造方法，包括以下步骤：
55.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为pr26dy2fe70b1.2cu0.1al0.5ga0.2(wt.％)的钕铁硼合金液；
56.步骤二、开启浇道上方的超声振动装置，功率为1000w，工作频率设置为50khz，开启浇道下方内置的电磁搅拌器，电流设置为500a，频率设置为5hz。
57.步骤三、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
58.步骤四，将熔炼好的合金液通过浇道的超声振动和电磁搅拌后浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
59.对比例2：
60.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为pr28dy2fe70b1.2cu0.1al0.9zr0.5(wt.％)的钕铁硼合金液；
61.步骤二、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
62.步骤三，将熔炼好的合金液通过浇道浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
63.三、实施例3
64.一种烧结钕铁硼磁体速速凝片铸造方法，包括以下步骤：
65.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为nd15ce10y2dy3fe66b1cu0.3al0.9co1zr0.5ga0.3(wt.％)的钕铁硼合金液；
66.步骤二、开启浇道上方的超声振动装置，功率为1000w，工作频率设置为35khz，开启浇道下方内置的电磁搅拌器，电流设置为300a，频率设置为4hz。
67.步骤三、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
68.步骤四，将熔炼好的合金液通过浇道的超声振动和电磁搅拌后浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
69.对比例3：
70.步骤一、利用熔炼炉熔炼成分为nd15ce10y2dy3fe66b1cu0.3al0.9co1zr0.5ga0.3(wt.％)的钕铁硼合金液；
71.步骤二、开启铜辊转动开关，铜辊的表面线速度为1.5m/s。
72.步骤三，将熔炼好的合金液通过浇道浇铸到旋转的铜辊表面，得到速凝合金片。
73.通过对以上的实施例(在合金液流过浇道时施加超声振动和电磁搅拌)和对比例(未施加超声振动和电磁搅拌)进行微观组织分析发现，超声振动和电磁搅拌明显降低了速凝片中的树枝晶数量。图4a和图4b分别给出了实施例1和对比例1制备的钕铁硼合金速凝片的截面的背散射电子图片，从图中可以看出，在实施例1中几乎看不出树枝晶的存在，而在对比例1中存在明显的树枝晶结构，此外，实施例1获得的速凝片中的晶界富稀土相分布较对比例1更加均匀。
74.综合以上各实施例和对比例的分析可见：钕铁硼磁体速凝片在制备过程中通过在浇道上对流过的合金液进行超声振动和电磁搅拌可以有效抑制速凝片中树枝晶的出现。本发明将有效提高烧结钕铁硼制备过程中速凝片的质量，提升烧结钕铁硼磁体的磁性能。技术特征：
1.一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，其特征在于，包括熔炼炉(100)、浇道(200)、超声振动装置(300)、电磁搅拌装置(400)、铜辊(500)；所述的超声振动装置(300)，设置在熔炼炉(100)和铜辊(500)中间的浇道上；所述的电磁搅拌装置(400)设置在所述的浇道(200)下方；在烧结钕铁硼磁体速凝片铸造过程中，熔炼炉(100)熔融的合金液体在浇道(200)上流动，通过超声振动装置(300)和电磁搅拌装置(400)的作用下，然后浇铸到旋转的铜辊(500)上获得钕铁硼合金速凝铸片。2.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，其特征在于，所述的超声振动装置(300)，包括超声波电源(301)、超声波换能器(302)、超声波变幅杆(303)、超声波振动杆(304)；超声波振动杆(304)固定在浇道(200)上方2～3mm处，当熔融的合金液体通过浇道(200)时，超声振动装置(300)利用其超声波振动杆(304)对流过的合金液进行振动；所述的超声波振动杆(304)采用三杆结构，三杆呈品字形分布。3.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，其特征在于，所述的电磁搅拌装置(400)，包括变频电源(401)、磁场发生器(402)、冷水机(403)；磁场发生器(402)的上端面与浇道(200)的下表面接触，当熔融的合金液体通过浇道(200)时磁场发生器(402)对其施加电磁搅拌。4.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，其特征在于，所述的超声振动装置(300)的功率为1000w，工作频率25～50khz。5.根据权利要求1所述的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，其特征在于，所述的电磁搅拌装置(400)的电流为100～500a，频率为3～5hz。6.一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在熔炼炉中放入配置好的烧结钕铁硼磁体合金原材料进行熔炼；步骤二、开启超声振动装置；超声波发生装置的功率范围为500～1500w，工作频率范围为15～70khz；同时开启电磁场搅拌装置，其电流范围为50～800a，频率范围为2～8hz；然后开启铜辊转动装置，铜辊表面的线速度范围为1～3m/s；步骤三、当熔融的合金液达到目标温度，将合金液浇注到浇道上，让其通过具有超声振动和电磁搅拌的浇道；步骤四、经过超声振动和电磁搅拌处理的合金液浇铸到旋转的铜辊上获得钕铁硼合金速凝铸片。7.根据权利要求6所述的一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，其特征在于，所述的烧结钕铁硼磁体合金的成分包括：rexfeybzmc，x、y、z和c为质量百分数，其中，re为nd、pr、ce、y、dy、tb中的一种或几种，m为cu、al、co、zr和ga中的一种或几种，x的范围：28～33，y的范围：65～70，z的范围：0.8～1.2，c的范围：0～3。
技术总结
本发明公开了一种烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置，包括熔炼炉、浇道、超声振动装置、电磁搅拌装置、铜辊。超声振动装置设置在熔炼炉和铜辊中间的浇道上，其电磁搅拌装置设置在所述的浇道下方。本发明的烧结钕铁硼磁体速凝片铸造方法，通过超声振动增加流过浇道的合金液中的形核晶胚数量，利用施加电磁搅拌引发浇道上流动合金液的扰动，均匀化晶核分布，进而抑制合金液在铜辊上快速凝固成速凝片时树枝晶的出现，有利于推进高性能钕铁硼磁体的制备和推广应用。推广应用。推广应用。
技术研发人员：陈夫刚 赵勇 王晓丽
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/2/28
声明：
“烧结钕铁硼磁体速凝片铸造装置及其方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：江苏科技大学
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2024年09月11日 ~ 13日 
