一种稀土永磁真空预热处理设备的研制

李金伟 臧福海 邢程

摘要：钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，未来具有广阔的市场前景。在诸多制备工艺中，热压法具有獨特的优点。为了满足热压工艺的特殊需求，采用与国外设备完全不同的技术路线，专门自主研发了可在真空条件下连续自动装料和快速高温出料的钕铁硼预热处理设备，性能指标完全满足用户需求，实现了钕铁硼量产设备的国产化。

关键词：钕铁硼;热压工艺;真空预热处理;设备

一、前言

钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，具有体积小、重量轻和磁性强的特点，是迄今为止性能价格比最佳的磁体，广泛应用于能源、交通、机械、医疗、IT、家电等行业，特别是随着信息技术为代表的知识经济的发展，这为钕铁硼产业带来更为广阔的市场前景[1]。

钕铁硼新兴应用以汽车电子化和机器人领域潜力最大。汽车随着电子化进程不断深化，未来将发展成为一个大型个人移动互联网终端，对高性能钕铁硼需求将保持快速增长。预计到2016年，车用稀土永磁四大领域（微电机、EPS、智能启停、电动车驱动电机）对高性能钕铁硼需求量将超过2.4万吨。此外，随着全球机器人产业的发展，预计2016年工业机器人、专业服务机器人、家用服务机器人三大领域对高性能钕铁硼的需求量将超过9000吨。

我国具有丰富的稀土资源，全球70%的稀土分布在我国内蒙古白云鄂博、江西赣南和山西等地区，为我国发展稀土永磁体产业奠定了坚实的基础。目前，我国已经形成自己的钕铁硼产业体系，依靠资源和成本优势，行业发展迅速，特别是进入21世纪以后，中国的磁性材料行业年增长率都超过了20%。预计未来的五到十年内，中国必将成为世界一流的稀土永磁材料供应基地[2]。

二、热压钕铁硼制备工艺的特点

1983年日本和美国同时发现了钕铁硼合金，称为第三代永磁材料，当Nd原子和Fe原子分别被不同的RE原子和其他金属原子取代可发展成多种成分不同、性能不同的Nd-Fe-B系永磁材料。其制备方法主要有烧结法、还原扩散法、熔体快淬法、粘结法、铸造法等，其中烧结法和粘结法在生产中应用最广泛[3]。

由于钕铁硼特殊的材料特性和晶相结构，必须在真空或惰性气体负压环境下加热处理，其过程是将Nd-Fe-B粉末压坯加热到粉末基体相熔点以下的温度约（0.70～0.85）T，进行保温处理一段时间。目的是提高压坯密度，改进粉末颗之间的接触性质，提高强度。使磁体具有高永磁性能的显微组织特征[4]。

钕铁硼磁体的主相具有四方晶格结构，在不同方向上具有不同的弹性模量，因而各向同性的纳米晶钕铁硼磁体在热变形过程中晶粒的易磁化轴发生沿压力方向的择优取向，根据这一原理可以实现纳米晶钕铁硼磁体的热变形取向[5]。近年来，热压（热变形）工艺开始用于高性能钕铁硼的制备。采用粉末冶金工艺制备的磁体的最大磁能积目前已达到4.76×10T·（A/m），采用热压热变形工艺制备的磁体的最大磁能积也已达到4.352T·（A/m） 。与烧结工艺相比，热压热变形法制备的钕铁硼永磁材料具有以下独特优点：①工艺温度低（580～900℃）;②工艺时间短（3～10min）;③无扩散;④晶粒小（粒径50～150nm）;⑤抗腐蚀特性强。

热压磁体目前只有日本大同特殊钢（Daido Steel）株式会社一家公司能够批量生产，我国本土企业批量生产至今仍是空白。成都银河磁体有限公司自2012年开始技术攻关，计划在2016-2018年，年产300吨热压磁体项目正式投产[6]。

热压工艺一般分为制粉、压坯、热压、机加工几道工序。其中制粉、压坯、机加工与烧结法工艺一致，核心是热压工序。目前技术上可行的解决方案有两种：一是将磁坯置于加压腔中，然后升温至900℃，其缺点是此过程只能进行单件处理，生产效率太低，基本只能用于实验或中试;二是先将磁坯批量预热，然后置于保温压机中加压，由于可以实现连续处理，生产效率成倍提高，但缺点是从预热设备移动到保温压机的过程中，磁坯处于非加热降温状态，因此必须尽可能缩短移动时间。试验证明，在密封环境中，高温磁坯在10s以内温降小于50℃，不会对产品性能产生影响。

三、钕铁硼真空预热处理的技术难点

据文献报道，全球唯一量产热压磁体的日本大同公司的专利技术是上述第二种方案，采用网带式气氛保护热处理炉对磁坯进行连续预热，然后通过专用输送装置，将高温磁坯快速送至多个真空压机内进行热压[7]，属于一对多架构;而成都银河磁体自主研发的技术路线是每台真空压机直联一台小型预热处理炉，通过人工定时批量添加磁坯实现半连续化生产，属于一对一架构，技术水平和生产效率相对落后;但如果能实现真空环境下的自动装卸料问题，则生产效率可与日本持平，反而在多品种、小批量的定制化柔性智能制造中优势明显。

以上两种架构的不同在于预热处理设备的结构形式，日本架构由于采用气氛保护炉预热，不涉及真空，其技术难点主要集中在高速输送装置的设计上，我国架构由于预热炉和真空压机是联通的，其技术难点主要包括以下几个方面：

1）如何实现在高温真空环境下磁坯的位置移动;

2）如何实现在预热完成后，高温磁坯在真空环境下的快速出炉及准确定位;

3）如何实现在保证预热磁坯连续热压的条件下，待烧磁坯的自动装载;

4）满足高温真空环境下的磁坯载具的材料选择;

四、设备原型设计及存在的缺陷

针对以上技术难点，并在了解用户的其他需求的基础上，我们提出了以下设计原型：

其主要设计思路是：

●设备的主体是一台带耐热马弗管的加热炉，用于实现高温真空;

●加热炉两侧布置两个带插板阀的真空置换上料仓，可以一次放入多个磁坯;两个上料仓轮流使用，保证工艺节拍的连续性;

●磁坯先放在小托盘，再放在大托盘上;上料推进器将一个大托盘推至横向位置，横向推进器依次将一个小托盘推至加热炉内;主推进器将多个小托盘推进一个工位;

●一侧上料仓推空后，真空阀关闭，人工开始装料;而同时另一侧真空阀开启，上料动作继续;利用另一侧上料的时间段完成一侧装料后的真空置换;

●炉尾出口处布置一台链式快速输送机构，将一个小托盘快速输送至真空压机室内，压机室内的机械手将高温磁坯取走，链式输送机再带着空托盘快速回退，由出口横向推进器将小托盘推至冷却存放区进行冷却，并由人工定期回收;

原型完成后，我们进行了详细方案论证和关键技术试验，发现存在一些严重的技术问题：

1）磁坯需要大小两个托盘放置，两种托盘都需要人工回收，劳动频率高，效率低;

2）金属链式输送机构长期暴露在高温下工作，链条节距随温度变化而改变，出现啮合和润滑问题，并产生输送抖动，使小托盘错位，对机械手抓取定位造成严重影响;链条寿命也大打折扣;

3）左右两个真空置换上料仓增加了真空泄漏的可能性，逻辑动作的复杂程度，制造成本都大打增加，设备的可靠性也不高;

4）对比试验了多种金属和非金属小托盘，金属托盘的高温热变形对定位精度影响很大;非金属托盘的表面粗糙度

五、真空连续推舟炉的结构说明

根据设计原型暴露的问题，在多项技术验证的基础上，我们对原型进行了重大技术调整，最终完成的真空连续推舟炉结构如图所示：

上料区     不锈钢腔体设计，链传动循环，托盘均匀固定在环形布置的滚子链上，步进电机驱动，设置手动/自动模式，自动模式按工步动作，手动模式可点动及正反转。便于操作人员从放料窗口放置产品。顶部设计为玻璃材质，便于观察产品剩余情况。放料时关闭与循环线连接处的插板阀，打开手动模式，点动方式，循环放置产品，放满产品后，抽真空、充氩气后打开插板阀。

回转线体         不锈钢腔体设计，电缸推进，空托盘循环线;

加热区     不锈钢管内马弗设计，加热区可容纳多只工件，炉管前后端设计耐高温挡火帘，保持炉内高温。

机械手 ;    可以分别从水平（X轴）垂直（Z轴）方向运动，从上料区抓取工位，抓取产品后，放置到循环线的空托盘上。

与原型机相比，其特点是：

1）采用在加热炉回转系统上部布置单真空置换仓结构，磁坯直接放置在循环链条上，通过二轴机械手抓取到横送位置，增加了设备可靠性;

2）取消了大托盘，小托盘在回转线体上自动循环，无需人工取放，降低了劳动强度，提高了生产效率和能源利用率;

3）将链式输送机构改为多段齿条式，消除了热变形，输送平稳，避免了小托盘错位。

该设备达到的技术指标如下：

炉膛尺寸：φ120×1200mm（D×L）;

长期工作温度：700～850℃，最高温度900℃;

加热元件：FEC加热器; 加热区长度：900mm;

控温点数：3点; 控温精度：±1℃;

控温方式：温控仪控温，PID参数自整定;

炉膛气氛：氩气; 炉膛均匀性：±5℃;

最大加热功率：10kw; 空炉保温功率：5kw;

工件进出节拍：1件/min; 操作界面：触摸屏;

真空度：≤10pa; 炉体表面温升：≤35℃;

报警保护：超温、断偶、低气压声光报警;

六、结论与思考

该设备研制成功后，所有性能指标均达到了用户提出的技术需求，由于采用与国外设备完全不同的架构，拥有完全自主知识产权，打破了国外在高端量产钕铁硼领域的垄断。在半年的使用过程中，也暴露了一些问题：如单置换仓仍然存在人工装料，效率受限;齿条式快速输送机构在高温下存在精确定位缺陷，这在以后的设计研发中要加以克服。

参考文献

[1]陈国华.钕铁硼磁体的市场与发展[C]//'2001第六届中国小电机技术研讨会论文集.2006：18-20.

[2]胡文艳.钕铁硼永磁材料的性能及研究进展[J].现代电子技术，2012，35（2）：151-152.

[3]閆文龙，颜世宏，于敦波，等.烧结钕铁硼的发展及其应用现状[J].金属功能材料，2008，15（6）：33-37.

[4]尹庆炜.烧结钕铁硼永磁体制备与性能研究[D].天津大学，2007.

[5]李卫，王会杰，林旻，etal.高性能辐向热压磁环及其制备方法：，2008.

[6]杜胜贵.大同特殊钢公司开始生产MQ3磁体[J].稀土信息，1993（2）：13-13.

作者简介：李金伟（1991—），男，安徽省人，硕士，北京化工大学，机械工程专业，主要研究方向为工业电加热设备，现就职业于中国电子科技集团第四十三研究所合肥恒力装备有限公司电热技术部。