一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法
阅读说明：本技术 一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法 (Process method for improving fracture resistance limit of permanent magnetic ferrite magnetic shoe device ) 是由 马宝 高原 尹春龙 杨冲 赵麟城 舒云峰 蒋伟丽 芦运 吴林熹 彭正佺 张伟 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法,属于永磁铁氧体技术领域。它包括原料的球磨、压制、烧结和磨削；控制球磨后的原料粒径分布为D0.10：0.4～0.6μm、D0.50：0.8～1.0μm、D0.90：1.9～2.0μm；所述压制采用模具进行压制,模具的单腔注浆流速为15-40mm/s；所述磨削过程中,采用的砂轮目数为150-400目。本发明能在不破坏铁氧体磁性能的同时,提高了抗折强度。(The invention discloses a process method for improving the fracture resistance limit of a permanent magnetic ferrite magnetic shoe device, and belongs to the technical field of permanent magnetic ferrites. The method comprises the steps of ball milling, pressing, sintering and grinding of raw materials; controlling the particle size distribution of the ball-milled raw materials to be D0.10: 0.4 to 0.6 μm, D0.50: 0.8 to 1.0 μm, D0.90: 1.9-2.0 μm; the pressing is carried out by adopting a mould, and the single-cavity grouting flow rate of the mould is 15-40 mm/s; in the grinding process, the adopted grinding wheel is 150 meshes and 400 meshes. The invention can improve the rupture strength without destroying the magnetic performance of the ferrite.)
技术领域
本发明属于永磁铁氧体技术领域，更具体地说，涉及一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法。
背景技术
磁性材料为电子行业的基础功能材料。永磁材料作为磁性材料的一个重要组成部分，在电子工业、信息产业、摩托车、电动工具行业、汽车工业等行业发挥着重要的作用。永磁铁氧体材料就是产生磁场的功能材料。永磁铁氧体属于一种无机非金属烧结材料，具有硬度高，韧性低的力学性能，但是，一方面，由永磁铁氧体其生产的器件往往存在着一定的破碎风险，给生产企业及其客户电机企业造成质量损失，另一方面，永磁铁氧体磁瓦器件的生产流程分为料浆(粉)球磨-压制-烧结-磨削几个主要阶段，生产过程中也会存在破碎的风险。
现有技术中，为了减少永磁铁氧体磁瓦器件破损的风险，针对永磁铁氧体成分做了一系列的改进，以提高永磁铁氧体的抗折性能。
经检索，中国专利申请号为200910098605.8，申请公开日为2009年5月18日的专利申请文件公开了高抗折强度永磁铁氧体材料。该专利永磁铁氧体材料由下述原料按重量配比制成：Fe2O3 85～88份，SrCO3 12～15份，添加剂0.4～0.6份，SiO2 0.5～0.6份，硅酸铝纤维0.1～0.3份。作为优选，所述的添加剂是CaCO3。该发明的优点在于：1.解决现有材料中抗折强度较差，其磁体容易在振动、冲击、压力、温差大情况下损坏，提供了高抗折强度的材料。2.用于制作汽车电机用永磁铁氧体瓦形磁体，其抗折强度及抗压强度均大于常规磁体。3.抗折强度达到0.8～1.2×108N/M2(8～12kgf/mm2)。但是，该专利对永磁铁氧体预烧料粉制备有较高的设备要求及能耗要求，现有一定规模的永磁铁氧体器件企业往往通过批量采购获得持续稳定的预烧料粉供给，而非自行生产。
再如，中国专利申请号为201610754859.0，申请公开日为2017年1月18日的专利申请文件公开了一种高抗折强度镍锌软磁铁氧体材料。该专利其原料包括主料与辅料，主料与辅料的重量份比为100：0.06-0.12；主料按摩尔份包括：氧化铁30-60份，氧化锌30-50份，氧化镍2-6份，氧化亚镍15-25份，氧化铜4-10份；辅料按重量份包括：五氧化二钒20-30份，三氧化二铋25-45份，氧化镧8-12份，五氧化二钽14-20份，二氧化铅3-9份，三氧化钼12-20份，氧化镁8-16份，碳化铌14-22份，二氧化硅20-35份。该发明保证高频性能的同时，抗折强度性能极好，性能稳定。但是，五氧化二钒为剧毒物质，并具有一定致癌性，二氧化铅也具有毒性。
现有技术大都是通过材料成分的改进来提高永磁铁氧体的抗折强度，但是很少有通过工艺条件的控制达到进一步优化永磁铁氧体的抗折强度。
例如，中国专利申请号为201310748259.X，申请公开日为2014年5月7日的专利申请文件公开了永磁铁氧体及其制造方法和超薄永磁铁氧体磁瓦。该专利永磁铁氧体的组分按重量百分比为：Fe2O3：81-88份；SrCO3：12-19份；La2O3：1.2-5.5份；Co2O3：0.6-0.8份；CaCo3：1.5-4份；SiO2：0.3-1.0份。制造方法包括配料、湿混、沉淀、压制成型、预烧、一次破碎、二次球磨、成型、烧结、磨加工，得到永磁铁氧体磁瓦。但是，该专利提供的二次球磨粒度数值仅为一种测量等效平均值，该值不能完全真实反映湿法球磨料粉的粒径状态，而该专利未针对粒径分布对二次烧结反应机理影响层面进行改进。
因此，在永磁铁氧体磁瓦器件原料成分改进的同时，如何优化制备永磁铁氧体磁瓦器件的工艺方法，以进一步提高其抗折极限是目前亟需解决的问题。
发明内容
1.要解决的问题
本发明提供一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法，其目的在于减小永磁铁氧体磁瓦器件加工过程中裂纹的生长速度和生长概率。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法，包括原料的球磨、压制、烧结和磨削，控制球磨后的原料粒径分布为D0.10：0.4～0.6μm、D0.50：0.8～1.0μm、D0.90：1.9～2.0μm；其中：
“D0.10：0.4～0.6μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径为0.4～0.6微米，
“D0.50：0.8～1.0μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径为0.8～1.0微米，
“D0.90：1.9～2.0μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径为1.9～2.0微米。
进一步地，原料使用的配方为：永磁锶铁氧体预烧料粉600～800kg、废磁钢粉500～700kg、磨削料粉100～300kg、碳酸钙12～16kg、氧化硅1.5～4.5kg、硼酸1.5～4.5kg。
进一步地，控制球磨后的原料粒径分布为D0.10：0.485μm、D0.50：0.949μm、D0.90：1.971μm，其中，“D0.10：0.485μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径为0.485微米，
“D0.50：0.949μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径为0.949微米，
“D0.90：0.98μm”表示的是原料的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径为1.971微米。
进一步地，原料平均粒径为3～8微米时，球磨时间为9-15h。
进一步地，球磨过程中，料：球：水比(重量比)为：1.2～1.6：6～8：1.2～2.0。
进一步地，压制采用南通合强150吨液压机，控制生坯压制压力为：350～550kgf/cm2。
进一步地，所述压制采用模具进行压制，模具的单腔注浆流速为15-40mm/s。
进一步地，模具的单腔注浆流速为28.5mm/s。
进一步地，所述压制过程中，模具的注浆压力为6-12MPa。
进一步地，模具的注浆时间为7-15s。
进一步地，烧结采用湖北华夏窑炉48m辊道窑，烧结温度1200℃±10℃。
进一步地，磨削采用南京享利达多工位磨床。
进一步地，所述磨削过程中，采用的砂轮目数为150-400目。
进一步地，从制备成本上综合考虑，优选砂轮目数为180目。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的工艺方法中，通过控制球磨时间，以达到球磨后的粒径分布为D0.10：0.4～0.6μm、D0.50：0.8～1.0μm、D0.90：1.9～2.0μm，这是因为晶体为主的无机非金属材料抗折断裂起源于表面缺陷裂纹生长，裂纹生长有两种情况：穿晶断裂和延晶断裂。晶粒越大，其内部晶格缺陷概率就越大，穿晶断裂就越容易发生；同时，晶粒越大，延晶断裂路径就越短；其中，
穿晶断裂：永磁铁氧体烧结过程经历排水-脱胶-助溶添加剂液化-微颗粒迁移-重结晶-冷却固化几个主要阶段，在微颗粒迁移-重结晶阶段，微颗粒在熔融的助溶剂中迅速迁移，重新结成较大晶体，故微颗粒比例越高，最终形成的晶粒尺寸就越大；具体解释为：注射压制过程中料浆存在取向磁场，目的是使颗粒形成定向排列，在后烧结的过程中，由于会添加助溶剂，助溶剂首先液化，相对较小的晶粒(0.5μm以下)比表面积大，其先迁移、熔解，再依附在较大的晶粒上重新结晶，这种重新结晶后的颗粒会比较大且缺陷多，一旦料浆中存在颗粒较大的缺陷颗粒，在磁瓦的制备或磁瓦的二次加工过程中，在微观上便很容易出现穿晶断裂，宏观上表现为：受到外应力的过程中，表面的穿晶断裂较多，裂纹生长的概率比较大，最终导致磁瓦产品断裂；
延晶断裂：当晶粒的尺寸比较大时晶界之间的通道是很容易生长的，这是因为大晶粒之间的路径短且简单，而小颗粒之间的路径长且扭曲，晶粒间的路径越长，微裂纹生长的时间是越长的，即微裂纹越难生长，进一步可以减小其表面裂纹扩张的概率，抗折强度主要表现在晶粒缺陷或微裂纹的生长速度和生长概率；铁氧体材料与氧化铝陶瓷材料不同，氧化铝陶瓷材料是磨得越细，其晶粒越小，而铁氧体材料恰恰相反，其磨得越细晶粒反而越大，故铁氧体材料球磨时间越短，原料整体平均颗粒会增大，晶粒越小，晶粒缺陷或微裂纹的生长速度和生长概率越小；因此本发明控制料浆粒径分布，减少微小尺寸颗粒占比，使粒径一致性提高，减少烧结过程中晶粒异常生长几率，一方面降低晶格缺陷概率，另一方面缩小晶粒尺寸，最终在承受折弯载荷时规避穿晶断裂，并使延晶断裂裂纹路径大幅加长，提高抗折极限；因此，
(2)本发明通过控制注浆流速，以增大注射过程密度一致性，使烧结过程中坯体各点收缩率趋于一致，减少表面拉引力，规避因表面拉引力引起的微裂纹扩展；其机理为：永磁铁氧体压制过程经历注浆-压缩两个主要阶段，其中注浆是固液混合物取代空气的过程，如果空气不能完全排出，压缩阶段坯体会出现密度不一致现象，导致烧结过程收缩不一致，表面收缩小、内部收缩大的部分主要表现为表面压应力，表面收缩大、内部收缩小的部分主要表现为表面拉应力；影响材料抗折断裂的另一主要因素是表面应力，当材料表面存在较大压应力时，压应力在一定程度上会阻止微观缺陷裂纹的继续生长；而表面存在拉应力时，拉应力会加速微观缺陷裂纹的生长；在实际压制过程中，模具的型腔空间形状与产品类似，即型腔空间形状是弯曲的弧状，但是注料口是单腔注射，即由中间往两边向下扩展，若注射时间不够，两边相对较少，甚至会存在空气，模具的排气排水设置在上模，若排气排水不够充分，型腔空间两端料浆的不一致性不会完全消除，密度上会存在差异，由于料浆存在磁场，磁场有尖端集中效应，导致磁瓦表面收缩较大但内部收缩小，存在表面拉应力加速微观缺陷裂纹的生长；
(3)本发明通过大幅磨削过程提高精磨砂轮目数，减少砂轮大颗粒金刚砂造成的微裂纹缺陷，同时修复烧结坯体表面因氧化和粗磨造成的缺陷；其机理为：如果产品完全没有缺陷是很难产生缺陷的，但是有缺陷就会从缺陷较大的地方集中延伸，而磨削过程中，砂轮的目数越大，金刚石的颗粒越小，造成损伤的机率越小，由于铁氧体是脆性材料，脆性材料被破坏，其造成的裂纹便会越深；基于上述，由于永磁铁氧体表面力学性能的特点，磨削过程必须使用硬度较高的金刚石砂轮，而金刚石颗粒在永磁铁氧体表面的磨削微观机制以脆性破碎为主，极少有延展性切削，故不可避免的会产生微裂纹缺陷；
(4)本发明通过上述三种方式共同作用下，在不破坏铁氧体磁性能的同时，提高永磁铁氧体磁瓦器件的抗折极限。
附图说明
图1为料浆粒径分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
本发明通过三种方式，分别针对料浆(粉)球磨、压制、磨削阶段，从宏观及微观层面提高永磁铁氧体器件的抗折极限。
实施例1
控制料浆粒度
本实施例制备永磁铁氧体磁瓦器件所采用的原料配方为：永磁锶铁氧体预烧料粉600～800kg、废磁钢粉500～700kg、磨削料粉100～300kg、碳酸钙12～16kg、氧化硅1.5～4.5kg、硼酸1.5～4.5kg，其中，原料平均粒为径3～8微米。
采用上述原料混合均匀后依次经过球磨、压制、烧结和磨削，制备本实施例的永磁铁氧体磁瓦器件。其中，本实施例仅通过改进球磨时间来达到球磨后的粒径分布满足D0.10：0.4～0.6μm、D0.50：0.8～1.0μm、D0.90：1.9～2.0μm。
具体地，一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法，步骤为：
(1)球磨：通过控制球磨时间，达到所需的料浆粒径，其中，球磨过程如下：
控制方法：球磨时间
检测方法：WLP-206平均粒度测试仪、马尔文激光粒度仪、电子万能试验机(下同)
试验产品：775工具电机磁瓦(下同)
球磨时间范围：(对比例1)改进前16-18h，(本实施例)改进后9-15h，具体见表1。
(2)压制：将步骤(1)球磨后的料浆注射到模具中，控制注浆压力为2MPa，注浆时间为3.1s，此时单片生坯注浆流速为72.7mm/s，压制成型得到瓦状的压坯。
(3)烧结：将步骤(2)中得到的压坯辊道窑中烧结烧结，烧结温度为1200±10℃，保温时间为70～120min，随窑冷却至室温得到烧坯。
(4)磨削：将步骤(3)烧结后得到的烧坯表面进行表面抛光磨削，得到永磁铁氧体磁瓦器件，其中，采用的砂轮目数为120目。
如表1所示，各取对比例1及实施例1-1、实施例1-2中的25个磁瓦成品，检测其抗折极限。
表1控制球磨时间后对比例1、实施例1-1、实施例1-2成品磁瓦的抗折极限
由表1可以算出，实施例1-1成品的抗折极限较对比例1提升了32.46％，实施例1-2成品的抗折极限较对比例1提升了38.39％，实施例1-3成品的抗折极限较对比例1提升了16.33％；值得注意的是，表1中平均粒度由WLP-206平均粒度测试仪测得，其示数反映的是粒径的等效平均值，实施方案过程中，平均粒度只有极小幅度变化，而粒径分布情况已有了较明显改变，说明平均粒度这一个参数并不能完全反映颗粒情况，也不能作为衡量粒度控制的唯一关键参数，结合图1分析可得知，依靠对球磨时间的控制，能够使粒径分布规律发生改变，使分布中心向大尺寸偏移，最终接近正太分布，并使成品抗折极限得到明显提高。
实施例2
提高生坯密度一致性
本实施例一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法，与实施例1-1基本相同，其不同之处在于：本实施例在压制过程中，提高了单腔注浆流速、注浆压力、注浆时间，以实现提高生坯密度一致性。
具体的，压制控制过程如下：
控制方法：注浆压力、注浆时间、注浆流速
注浆压力范围：改进前2-4MPa(对比例2)，改进后6-12MPa(本实施例)
注浆时间范围：改进前1-4s(对比例2)，改进后7-15s(本实施例)
单腔注浆流速范围：改进前50-80mm/s(对比例2)，改进后15-40mm/s(本实施例)
如表2所示，各取对比例2及实施例2-1、实施例2-2、实施例2-3中的25个磁瓦成品，检测其抗折极限。
表2对比例2及实施例2-1、实施例2-2、实施例2-3中磁瓦成品的抗折极限
由表2可得，实施例2-1成品的抗折极限较对比例2提升了22.08％，实施例2-2成品的抗折极限较对比例1提升了18.32％，实施例2-3成品的抗折极限较对比例2提升了26.34％。
实施例3
表面抛光
本实施例一种提高永磁铁氧体磁瓦器件抗折极限的工艺方法，与实施例2-1基本相同，其不同之处在于：本实施例在磨削过程中，增大了砂轮的目数。
具体的，本实施例磨削砂轮如下所示：
控制方法：精磨砂轮目数
砂轮目数范围：改进前80-120目(对比例3)，改进后150-400目(本实施例)
如表3所示，各取对比例3及实施例3-1、实施例3-2、实施例3-3中的25个磁瓦成品，检测其抗折极限。
表3对比例3及实施例3-1、实施例3-2、实施例3-3中磁瓦成品的抗折极限
由表3可得，实施例3-1成品的抗折极限较对比例3提升了16.87％，实施例3-2成品的抗折极限较对比例3提升了10.76％，实施例3-3成品的抗折极限较对比例3提升了22.80％。
在实施例1～3的三种方式改进的共同作用下，实施例3-1累计抗折极限较对比例1提升幅度约85.81％，改进效果明显。
本发明所述内容并不仅限于本发明所述实施例内容，并且应用了具体个例对本发明结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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