磁铁制造工艺

磁铁的制造工艺有多种,最常用的方法叫粉末冶金。该工艺是将适当的混合物粉碎成细粉,然后进行压实、加热处理,通过液相烧结过程使其致密化。因此,此类磁铁通常称为烧结磁铁。铁素体、钐钴 (SmCo) 和钕铁硼 (neo) 磁铁均采用这种制造方式。铁素体是一种陶瓷材料,而所有稀土磁铁都是金属合金。

钐钴钕磁铁是怎样制成的?

在真空或惰性气体保护下,将适当的原材料放入感应熔炼炉中进行熔化。将熔融合金注入模具中或倒在冷却板上,或用带材连铸机(一种生产连续薄金属带的设备)加工。然后将固化的金属块粉碎成粒径为 3 至 7 微米的细粉末。极细粉末具有化学反应活性,可在空气中自燃,因此必须避免暴露在氧气中。

粉末的压实方法有多种,这些方法都需要将颗粒进行定向排列,从而使成品零件中的每个磁区都指向同一个指定的方向。第一种方法叫轴向或横向压制。该方法将粉末放入压力机上一个工具的空腔内,然后凸模进入工具内压缩粉末。进行压实前,施加一个定向磁场。压实的过程会“冻结”定向排列过程。轴向(平行)压制中,定向磁场与压缩方向平行。横向(垂直)压制中,磁场的方向垂直于压实方向。由于细小粉末颗粒在磁场排列的方向上被拉长,横向压制的定向排列效果更好,因此得到的产品能量更高。用液压机或机械压力机压实粉末时,由于模腔形状限制,只能得到横截面形状简单的产品。

第二种压实方法称为等静压成型,即将粉末装入一个挠性容器中后密封,施加一个定向磁场,然后将容器放入等静压机中。使用液压流体或水对密封容器的外部施加压力,使其在各个方向上均匀压实。采用静压成型法制造磁铁块的优势主要体现在两个方面,第一,可制造超大磁铁块,尺寸通常可达到 100 x 100 x 250 毫米;第二,由于各个方向上的压力相同,粉末的排列方向可以保持良好的一致性,从而可以最大限度提高产品的能量。

将压制零件装在舟皿中,然后放入真空烧结炉。根据所生产的磁铁类型和牌号设定特定的温度,并选择是以真空还是惰性气体作保护。将两种稀土材料加热到烧结温度,使其致密化。钐钴在烧结完成后还需进行额外的固溶化处理。冷却至室温后,将两种材料在较低温度下进行回火处理。在烧结过程中,磁铁线性收缩约 15-20%。制成的磁铁表面较粗糙,且尺寸不精确,而且未产生外磁场。

精加工

对烧结磁铁进行一定程度的切削,例如磨平、平行磨削、外径或内径磨削、磁铁块切割。磁铁材料具有脆性且硬度很高,洛氏硬度(C 标尺)介于 57 至 61 之间,因此其切割和磨削加工需要用到金刚石切割片和金刚石砂轮或专用砂轮。切割精度非常高,通常不需要后续磨削。所有这些工艺必须十分小心,尽量减少剥落、开裂现象。

在某些情况下,最终得到的磁铁形状有利于异形金刚石磨轮的加工,例如弧形和面包形磁铁。将接近最终形状的产品用磨轮打磨,可得到精确的尺寸。为了实现复杂形状的小批量制造,通常采用电火花加工方法。对于简单的二维形状,电火花机床的加工速度更快,对于更复杂的形状,3-5 轴机床的加工速度较慢。

圆柱形零件可压制成型,通常采用轴向压制,还可用空心钻从坯块上钻取。然后将这些较长的实心或空心圆柱体切割成垫圈形薄磁铁。

对于大批量制造(通常不少于 5000 件)来说,制造模具并按形状生产更经济。如果生产周期短,或者要获得特定属性,从坯块上切削磁铁的方法可能更好。压制成型可最大限度减少磨屑等废料。订货量、零件形状和尺寸以及复杂度决定了哪种制造方法更可取。交付时间也会影响这一决定,因为从坯块上获取小批量零件的方法可能比订购模具然后进行压制成型的方法效率更高。这些方法的生产成本有时无法直接估算。建议联系我们讨论这些方法。

尽管可以加工成形状复杂的磁铁,但这些合金更适合简单形状。孔、大倒角或狭槽的生产成本更高。一些复杂形状容易造成通量场变化,使组件中的零件受到潜在应力影响,因此生产时更难控制公差。

切削出的磁铁边缘锋利,容易发生剥落。锋利边缘周围涂敷涂层也很困难。减小锐度的最常用方法是用振动式磨刀打磨,通常称为振动滚揉,该过程在磨料中进行。边缘的圆角根据后续加工处理要求确定,半径通常介于 0.005 英寸至 0.015 英寸(0.127 至 0.38 毫米)之间。

钕铁硼磁铁容易生锈或发生化学反应,所以通常都会敷上涂料。钐钴的天然耐腐蚀性比钕铁硼好,但有时涂层也有作用。最常用的防护涂料有干喷环氧树脂、电泳漆(环氧树脂)、电解镍、铝 IVD、以及这些涂料的不同组合。另外,锌、铁、锰的磷酸盐和铬酸盐转化膜也可用来涂装磁铁。转化膜一般能提供足够的临时防护,可用作环氧树脂涂层的垫层,或用作铝 IVD 的盖层以达到增强防护的目的。

磁化

制造完成后,需对磁铁进行“充电”以产生外部磁场。此操作可通过螺线管(一个可在其内安放各类磁铁尺寸和形状的空心圆柱体)或旨在赋予独特磁象的固定装置来实现。此外,还可磁化大型组件以免在磁化状态下处理和组装此类强力磁铁。磁化场要求繁多。与磁铁选择的诸多其他方面一样,此问题也应与我们的工程和生产团队共同讨论。

磁加固与校准

某些情况下,磁铁需加固或校准。加固是指将在组件内部或外部对磁铁进行预处理的工艺,从而确保后续使用时不会产生额外的磁通量输出损失。校准旨在缩小一组磁铁的性能输出范围。此类工艺需在高温烘箱中处理,或在低于全冲击功率的磁场的充磁机内进行反向脉冲处理。热稳定性受到若干因素的影响,同时须加倍小心地控制此工艺,从而确保最终的产品性能。

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