钕铁硼凝固过程分析

Nd-Fe-B合金的凝固过程及组织控制内容提要Nd-Fe-B体系相图及其结晶过程Nd-Fe-B合金的非平衡凝固过程甩带炉工艺及SC片组织控制21.Nd-Fe-B体系相图及其结晶过程 化合物 熔点及生成方式 Nd2Fe17 1185，包晶反应，L+γ-Fe=Nd2Fe17 Fe2B 1407,包晶反应L+FeB=Fe2B FeB 1588，一致熔化 NdB66 2150，包晶反应L+NdB6=NdB66 NdB6 2650，一致熔化 NdB4 2350，包晶反应L+NdB6=NdB4 Nd2B5 2000，包晶反应L+NdB4=Nd2B5 Nd2Fe14B(T1) 1180，包晶反应L+γ-Fe=T1 Nd1.1Fe4B4(T2) 1090，一致熔化 Nd5Fe2B(T3) 1.1钕铁硼体系中的化合物31.2钕铁硼体系相图41.2钕铁硼体系相图51.2钕铁硼体系相图61.2钕铁硼体系相图-初晶区T2T1T2δ-FeT3Ndγ-Feγ-Fe71.2钕铁硼体系相图-重要的相变点线L=Fe+Fe2BL=Fe+T1+T2L=T1+T2L+Fe=T1L=T1+T2+(Nd)81.3典型成分点的结晶过程91.3典型成分点的结晶过程M1M2M3M5M4101.3典型成分点的结晶过程M1M1结晶过程固相变化：Fe→(Fe+T1)→T1（包晶反应结束）111.3典型成分点的结晶过程M2M2结晶过程121.3典型成分点的结晶过程M2结晶过程固相成分：Fe→(Fe+T1)(包晶过程)→T1(Fe消耗完，穿晶)→(T1+T2)(二元共晶)→(T1+T2+Nd)(三元共晶)131.3典型成分点的结晶过程M1M2M3M5M4M3结晶过程M3与M2结晶过程类似，主要区别在于：穿晶后的结晶路径不同。141.3典型成分点的结晶过程M3结晶过程固相组织：Fe→(Fe+T1)(包晶过程)→T1(Fe消耗完，穿晶)→(T1+Nd)(二元共晶)→(T1+T2+Nd)(三元共晶)M3151.3典型成分点的结晶过程M5M5结晶过程M5结晶过程与M2类似，结晶路径相当于M2包晶完成后的路径。固体组织：T1→(T1+T2)→(T1+T2+Nd)161.3典型成分点的结晶过程M1M2M3M5M4M4结晶过程M4结晶过程与M3类似，结晶路径相当于M3包晶完成后的路径。固相组织：T1→(T1+Nd)→(T1+T2+Nd)172.钕铁硼非平衡凝固过程在实际生产中，熔体的凝固都是在非平衡状态下完成的，因此分析非平衡凝固更为重要。2.1熔体过热导致的非平衡凝固熔体温度高于液相线150-200℃。结晶特点：1）包晶范围变大：Nd原子分数：（11.78-15%）→（11.78-18%）2）两次包晶过程：L+γ-Fe=X（Nd2Fe17Bx）L+X=T1亚稳过程的最大特点是γ-Fe初晶更容易生成。182.2非平衡凝固过程在快速凝固过程中，无论是潜热，还是固相和液相成分，都来不及扩散均匀，凝固前沿存在“成分过冷”。当γ铁从液相中析出时，在γ铁周围，液相富集了Nd,B，熔点更低，进而阻碍了γ铁固相的成长。γ铁只能在特定方向择优生长，形成树枝晶。当熔体过冷度足够大时，包晶反应优先在γ铁树枝晶根部及枝干交叉处发生。192.2非平衡凝固过程包晶反应特点：Fe原子从固态的γ铁中向外扩散，穿越其外围的固态主相层，与液相反应生成主相，由于固相中Fe原子的扩散速度缓慢，粗大的γ铁往往只有部分转变为主相。显然，包晶反应的程度受制于γ铁晶粒的大小，晶粒越粗大，铁原子扩散的距离越大，主相的形成越难。202.2非平衡凝固过程α-Fe的危害1）α-Fe具有延展性，恶化粉末粒度的均匀性。2）导致富钕相的局部富集，造成破碎后的粉末成分不均匀。3）导致主相体积分数降低，造成磁体的剩磁降低。4）具有各向同性，软磁性，在压制时，不参与磁场取向，在烧结后会形成错取向晶粒。减小α-Fe的有效措施是增大熔体过冷度，使熔体温度直接进入（L+T1）相区。212.2非平衡凝固过程原因分析热力学上：B-Nd,B-Fe的亲和力要比Nd-Fe,Nd-Nd,Fe-Fe的亲和力强。因此，在过冷度足够大的情况下，主相优先从液相中析出，而不是以包晶反应析出。γ-Fe的析出就可以完全被抑制。即，只要浇铸过程中合金溶液的冷却速度足够快，铸锭中就不会出现α-Fe，即发生L=T1（1）动力学上：式（1）所涉及的相变与主相晶胞结构有直接关系。在主相晶胞中，Re,B，Fe原子沿C轴具有层状分布特征。其中，Re原子和B原子集中分布在Z=0和Z=c/2的晶面上，从z=0晶面到z=c/2晶面，Re原子和B原子正好绕C轴旋转了90°，因此，在合金凝固过程中，Re2Fe14B晶体的易生长方向垂直于易磁化方向，并形成片状晶（即柱状晶）团簇，在每个团簇内，片状晶之间几乎平行排列。可见，当过冷度足够大时，从液相中直接形成Nd2Fe14B，无论从热力学还是动力学上，都是有利的。223甩带工艺及SC片组织控制Stripcast意思为“条带状铸造”。其过程为：通过将钕铁硼液态合金浇注到一个旋转的铜辊表面，被快速冷却的合金铸锭呈厚度约0.1-0.5mm的鳞片状从铜辊表面甩出，如图3-10，称为“甩带工艺”。3.1甩带工艺(stripcast)23甩带工艺优点冷却速度快，α-Fe的析出被抑制即使合金成分接近主相的化学计量成分，α-Fe的析出也能被抑制，因此更容易制造主相比例更高的、高性能的磁体。晶粒更细小均匀，有利于制备高性能的磁粉SC片中主相晶粒尺寸小达1-5μm，富钕相更细小均匀，用其制粉，颗粒表面能量低，粒度分布均匀，富钕相在主相颗粒表面附着率高，使得粉末在后续的压制、烧结工艺中对环境的敏感性降低。易实现低温烧结在压制、烧结工艺相同的情况下，用SC片可以制备比用传统方法的平均粒度更小的粉末，容易实现更低的烧结温度而获得高的致密度，主相晶粒细小均匀的磁体。可消除粗大的富Nd相用SC片制备的粉末中富Nd相更均匀，减少了多余的粗大富Nd相，从而节约了稀土用量，同时耐腐蚀性显著提高。243.1甩带工艺理想的SC片铸态组织柱状晶生长良好，晶粒尺寸细小，且接近随后制粉的粒度；富Nd相沿晶界均匀分布，不应有大块的富Nd相；不存在α-Fe晶体；不存在非晶和细小等轴晶。铸态组织对制粉、取向、烧结有重要影响，进而影响磁体的最终磁性能。因此控制铸态组织至关重要。253.2SC片的显微组织控制俗话说“三分炼，七分浇”。可见浇注工艺的技术性很强。由于浇注和凝固过程在很短的时间内完成，影响合金各组成相形核、长大的因素很多，还要控制铸态组织形貌（既要控制相又要控制组织），因此过程比较复杂。影响SC片显微组织的因素有合金成分铜辊转速浇注温度浇道结构及材料铜辊表面与熔体之间的张角冷却水流量及炉内气氛浇道与铜辊表面之间的切角铜辊表面光洁度系统氧含量263.2SC片的显微组织控制1）浇注温度恒定的浇注温度，特别是流至喷嘴处的熔体温度恒定，是决定均匀铸态组织的关键工艺参数。浇注温度高优点1）熔体流动性好，有利于得到冷却速度均匀，因而铸片厚度和晶粒组织均匀的铸片；2）有利于抑制贴辊面一侧形成细小的急冷等轴晶，促进片状晶的生长。缺点1）浇注温度越高，铸态晶粒越粗大，不利于后续制粉；2）熔体中稀土元素挥发及坩埚对合金的污染严重。浇注温度低优点1）易获得晶粒细小的组织。缺点1）贴辊面一侧会形成大量细小的急冷等轴晶；2）易出现α-Fe，主要在浇道中形成，并卷入到铜辊上。最佳的浇注温度应是：贴辊面一侧仅有少量细小的急冷等轴晶形成的临界状态之上。273.2SC片的显微组织控制2）浇道结构及材料合理的浇道结构会稳定浇注到铜辊表面的液体流量，减小熔体流动，保证了SC的冷却强度和厚度的稳定均匀。从而得到尺寸均匀的组织和晶粒。例如，将喷嘴（即熔体到铜辊的流入口）做成封闭的狭缝形状，有利于稳定熔体的流量，也有利于获得晶粒均匀的铸态组织。另外，浇道材料的保温特性也会对铸片组织产生影响。浇道保温特性越好，散热损失越小，熔体温度越稳定，SC片的厚度、晶粒大小就越均匀。3）浇道与铜辊表面之间的切角β控制较小切角可以减小单位时间金属的浇注量。切角过大不仅会使铸片厚度增大，冷却速度降低，而且会使熔体与铜辊相接触的部位产生过强的冲击而形成紊流，造成铸片厚度波动。工程中β=-10~10°。283.2SC片的显微组织控制4）铜辊转速提高铜辊转速，可以提高铜辊单位时间对熔体的冷却量。铜辊转速↑铸片厚度↓冷却强度↑铜辊转速过高铸片厚度过薄，冷却过强贴辊侧出现大量细小的等轴晶，甚至非晶熔体飞离辊面单向传热变差，出现大量等轴晶合理的铜辊转速为：熔体与辊面能铺展成连续的液膜，同时离心力刚好促使铸片从辊面顶部脱离。工程中，一般铜辊线速度取1.0-2.0m/s。293.2SC片的显微组织控制5）铜辊表面与熔体之间的张角α增大熔体与铜辊表面接触的张角α，从而增大单位体积熔体与铜辊的接触表面积。张角↑辊面非均质形核↑自由侧均质形核受抑制晶粒细小均匀自由侧细小等轴晶受抑制工程中一般取α=90°左右，过大会造成熔体泄漏。303.2SC片的显微组织控制6）合金成分晶格常数小的含有Dy、Tb等重稀土元素的钕铁硼合金在凝固过程中更容易形成完整的（2：14：1）型晶体，并更容易生长成发达的片状晶。相反，晶格常数大的含有Pr等轻稀土元素的合金形成完整（2：14：1）相较难，成长为片状晶的能力也较弱。在工业实践中，当Nd-Fe-B合金中稀土含量较低时，添加少量的Dy、Tb等重稀土金属不仅可以提高内禀矫顽力，还可以抑制α-Fe析出。7)冷却水流量与炉内气氛保持铜辊水冷系统具有稳定的冷却能力，对于制备晶粒组织均匀的Nd-Fe-B铸片非常重要，因此，铜辊的水冷系统应当有独立的流量及温度监控装置，不能与感应线圈的水冷系统串联。另外，保持恒定的Ar压力，稳定熔体在凝固前的散热损失，也有利于铸锭组织的稳定。313.2SC片的显微组织控制8）铜辊表面光洁度铜辊表面的光洁度关系到熔体与铜辊表面之间的热交换效率，进而影响到SC片的显微组织形貌。如果辊轮表面粗糙不平就会造成铸片的厚度不均匀,合金熔体在辊面上的冷却速度也会随之不同,这样就无法保证温度场的稳定。合金熔体凝固过程中,辊轮表面的任何杂质质点都可能成为外来形核核心,不利于理想柱状晶组织的获得。所以,辊轮表面要抛光,并且保持洁净。9）系统氧含量氧化不仅会造成合金成分的改变,使熔渣增多,而且会增加大量的外来形核核心,严重影响柱状晶的形核、长大。根据氧的来源，可采取以下措施：1）保持原材料的干燥洁净；2）坩埚及辅料要进行烘烤处理。3）保证炉内的真空度在10-2Pa级，严控设备漏气率；4）尽量减少炉内部件上的油污。323.3 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 获得理想SC片显微组织的措施为合金成分的设计要合理浇道几何结构要合理，保温性要好铜辊表面要抛光，保证光洁平整降低系统的氧含量适当提高铜辊的转速冷却水流量和Ar压力要稳定减小浇道与铜辊表面之间的切角增大熔体与铜辊表面接触的张角合理稳定的浇注温度33谢谢34