TWI552818B - 釹鐵硼磁石製作方法 - Google Patents

Description

釹鐵硼磁石製作方法

本發明是關於一種釹鐵硼磁石製作方法，尤其是一種運用高速壓實製程之釹鐵硼磁石製作方法。

一般而言，現有的釹鐵硼磁石(Nd-Fe-B Magnet)製作方法包含燒結磁石製程、塑橡膠磁石製程、熱固化磁石製程、膠結成形製程以及熱壓成形製程等。其中，運用熱壓成形製程所製作之釹鐵硼磁石主要包含等向性釹鐵硼熱壓磁石(MQII)及異向性釹鐵硼熱壓磁石(MQIII)等產品，所述釹鐵硼熱壓磁石具有高磁特性(最大磁能積可達30~50MGOe)、且透過熱壓製程能夠使磁石的易磁化軸沿徑向方向輻射排列，因此可供製造便於組裝的細長環形磁石。再者，所述環形磁石在充磁過程中，透過變更充磁線圈的位置與數量，即可改變充磁極數及磁偏角。據此，運用熱壓成形製程所製作之釹鐵硼磁石能夠廣泛應用於各式馬達、發電機、壓縮機、音箱或磁力軸承等構件當中，例如電動車中所採用之電動輔助轉向馬達(Electric Power Steering,EPS)對於異向性釹鐵硼熱壓磁石即存在高度需求，使得熱壓成形製程成為近年來釹鐵硼磁石的主流製造方法之一。

請參照第1圖所示，係一種現有運用熱壓成形製程之釹鐵硼磁石製作方法的流程圖，該方法主要將釹、鐵、硼及其它金屬原料(例如：鈷)熔解(dissolving)形成金屬溶液，所述金屬溶液可藉由(rapid-quenching)快粹產生金屬薄片，再將該金屬薄片粉碎(pulverizing)以製備磁性粉末。接著，該方法依序採用冷壓(cold pressing)及熱壓(hot pressing)製程將磁性粉 末壓實，以提升磁性粉末密度使其形成磁性粉體。其中，經熱壓製程處理後，即可成形為等向性釹鐵硼熱壓磁石，惟，該方法可以再進一步對所述等向性釹鐵硼熱壓磁石進行熱變形(hot plastic deforming)製程處理以成形異向性釹鐵硼熱壓磁石。上述運用熱壓成形製程之釹鐵硼磁石製作方法的一實施例已揭露於美國公開第2010/0172783號「MATERIAL FOR ANISOTROPIC MAGNET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME」專利申請案當中。

其中，上述冷壓製程通常係進行初步加壓，使磁性粉末密度達到50-60%；而上述熱壓製程通常需升溫至500℃以上再進行加壓，才可使磁性粉末形成壓實密度達到99%以上的磁性粉體，以製作等向性釹鐵硼熱壓磁石，並且作為後續異向性釹鐵硼熱壓磁石成形所需之半成品。然而，採用冷壓與熱壓二步驟分別對磁性粉末進行壓實，將大幅增加該方法的步驟複雜度，且熱壓製程的升溫過程需時較長，造成現有釹鐵硼熱壓磁石的整體製程時間過長。

另一方面，由於熱壓製程需升溫至500℃以上，且該方法將上述等向性釹鐵硼熱壓磁石加工處理以成形異向性釹鐵硼熱壓磁石的過程中，還存在熱變形或是其它需將釹鐵硼磁石半成品升溫的製程，如此反覆將釹鐵硼磁石半成品升溫會使晶粒成長，進而導致釹鐵硼磁石成品的磁特性下降。

據此，習知技術提出包含放電等離子燒結(spark plasma sinterin,SPS)或二階段熱成形等磁石成形製程以取代上述熱變形製程，避免反覆對釹鐵硼熱壓磁石半成品升溫而造成晶粒成長。然而所述磁石成形製程之加工成本高昂，造成釹鐵硼熱壓磁石成品的磁特性與生產成本往往難以兼顧。

有鑑於起，亟需提供一種進一步改良之釹鐵硼磁石製作方 法，以改善現有釹鐵硼熱壓磁石的整體製程時間過長的缺點，同時解決運用熱壓製程需反覆將釹鐵硼磁石半成品升溫而使得晶粒成長，進而導致釹鐵硼磁石成品之磁特性下降的問題。

本發明一實施例之目的係提供一種釹鐵硼磁石製作方法，透過電磁壓實或***壓實等高速壓實製程對一加工槽中的磁性粉末進行加壓，以取代現有釹鐵硼磁石的製造方法之冷壓與熱壓步驟，所述高速壓實製程係驅使該磁性粉末產生130-260m/s之移動速度，使該加工槽中的磁性粉末達到99%以上的壓實密度，能夠縮短釹鐵硼磁石的製程時間，達到提升釹鐵硼磁石的量產效率之功效。

本發明一實施例之另一目的係提供一種釹鐵硼磁石製作方法，透過高速壓實製程於短時間內提升磁性粉末之壓實密度，避免磁性粉末在壓實過程中發生晶粒成長的情形，且高速壓實製程中能夠透過撞擊使磁性粉末的晶粒破碎細化，具有提升釹鐵硼磁石的磁特性之功效。

本發明一實施例之再一目的係提供一種釹鐵硼磁石製作方法，透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，再對壓實密度達到99%以上之磁性粉體進行熱變形製程，以形成異向性釹鐵硼磁石，能夠避免反覆將釹鐵硼磁石半成品升溫，以減緩晶粒成長的情形來進一步改善異向性釹鐵硼磁石成品的磁特性。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種釹鐵硼磁石製作方法，包含：製備一磁性粉末並將該磁性粉末置入一加工槽；透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，使該磁性粉末達到130-260m/s之移動速度，以對該磁性粉末施加2.0~4.0Gpa的壓力；及利用上述高速壓實製程，使該加工槽中的磁性粉末達到99%以上壓實密度，所述磁性粉末完成高速壓實後形成一磁性粉體， 該磁性粉體能夠用以形成等向性釹鐵硼熱壓磁石。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，對壓實密度達到99%以上的磁性粉體進行熱變形製程，使該磁性粉體成形為異向性釹鐵硼磁石。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該高速壓實製程為電磁壓實製程。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該電磁壓實製程使用一電磁壓實裝置執行，該電磁壓實裝置具有一加工槽，該加工槽內部形成一容置空間以供容置該磁性粉末，該加工槽具有連通該容置空間之一開口端，一沖錘係經由該開口端伸入該容置空間，且該沖錘遠離該加工槽之一端係電性連接一扁平線圈組，透過對該扁平線圈組通入電流，以驅動該沖錘衝入該容置空間當中，使該沖錘對該容置空間當中的磁性粉末加壓。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該高速壓實製程為***壓實製程。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該***壓實製程使用一***壓實裝置執行，該***壓實裝置具有一加工槽，該加工槽內部形成一容置空間以供容置該磁性粉末，該加工槽具有連通該容置空間之一開口端，一沖頭係經由該開口端封閉該容置空間，且該***壓實裝置包含一***筒，該***筒具有一殼體，該殼體內部係供充填***物質，且該殼體之二端分別結合該沖頭及一引線，透過該引線引爆該殼體中的***物質，以驅動該沖頭衝入該容置空間當中，使得該沖頭對該容置空間當中的磁性粉末加壓。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該熱變形製程使用一熱變形裝置執行，該熱變形裝置具有一模仁，該模仁包含相互連通之一胚料槽及一成形槽，一沖頭能夠伸入該胚料槽中，一頂出銷則結合於該成形槽遠離該胚料槽之一端，透過將壓實密度達到99%以上的一等向性磁性粉 體置入該胚料槽，並且將該模仁加熱至750~900℃，以該沖頭衝入該胚料槽，使該等向性磁性粉體產生形變並受迫進入該成形槽中，進而成形為一環狀杯體。

本發明之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該熱變形製程另對該頂出銷加壓，使成形於該成形槽當中的環狀杯體自該成形槽移動至該胚料槽，以將完成熱變形處理之環狀杯體自該模仁取出。

〔本發明〕

1‧‧‧電磁壓實裝置

11‧‧‧加工槽

111‧‧‧開口端

12‧‧‧沖錘

13‧‧‧扁平線圈組

2‧‧‧***壓實裝置

21‧‧‧加工槽

211‧‧‧開口端

22‧‧‧沖頭

23‧‧‧***筒

231‧‧‧殼體

232‧‧‧***物質

233‧‧‧引線

3‧‧‧熱變形裝置

31‧‧‧模仁

311‧‧‧胚料槽

312‧‧‧成形槽

32‧‧‧沖頭

33‧‧‧頂出銷

R‧‧‧容置空間

R’‧‧‧容置空間

P‧‧‧等向性磁性粉體

第1圖：習知運用熱壓成形製程之釹鐵硼磁石製作方法的流程圖

第2圖：本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例之流程示意圖

第3圖：本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例所採用之電磁壓實裝置的結構示意圖。

第4圖：磁性粉末在高速壓實製程受到外力加壓所產生之移動速度與其承受壓力的對照關係圖。

第5圖：本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例所採用之***壓實裝置的結構示意圖。

第6圖：本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例所採用之熱變形裝置的結構示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 本發明全文所述之磁性粉體的「壓實密度」，係指一磁性粉體之密度被壓縮達到其理論密度值(Theoretical Density)的一比例值，舉例而言，一磁性粉體具有99%的壓實密度，指的是該磁性粉體被壓縮達到其理論密度值的99%，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第2圖所示，係本發明釹鐵硼磁石製作方法一實施例之流程示意圖。本發明釹鐵硼磁石製作方法之實施例包含以下步驟：藉由研磨或碎化磁性材料(例如：Nd-Fe-Co-B金屬薄片)以製備一磁性粉末，將預先製備之磁性粉末置入一加工槽。其中，該磁性粉末係利用釹、鐵、硼及其它金屬原料(例如：鈷)製作，且製備該磁性粉末的方式係本發明所屬領域中具有通常知識者均可輕易理解實施者，例如前述美國公開第2010/0172783號專利申請案即揭示其中一種磁性粉末製備方式，故不再行列舉詳述該磁性粉末的製備方式。

透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，使該磁性粉末達到130-260m/s之移動速度。詳言之，所述高速壓實製程可以為電磁壓實、***壓實或電氣液壓壓實等高速壓實製程，舉例而言，在本實施例的一實施態樣中，可以透過電磁壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，請參照第3圖所示，係該電磁壓實製程所搭配使用之一種電磁壓實裝置1，該電磁壓實裝置1具有一加工槽11，該加工槽11內部形成一容置空間R，該容置空間R可供容置一磁性粉末。該加工槽11具有連通該容置空間R之一開口端111，一沖錘12係經由該開口端111伸入該容置空間R，且該沖錘12遠離該加工槽11之一端係電性連接一扁平線圈組13。藉此，當該扁平線圈組13通入電流時，將可驅動該沖錘12以高速衝入該加工槽11之容置空間R當中。因此，該沖錘12能夠對該容置空間R當中的磁性粉末加壓，以達到高速壓實效果。

請一併參照第4圖所示，係晶粒外徑為45~74μm且原始密度為11.45g/cm³之磁性粉末在高速壓實製程中，受到外力加壓所產生之移動速度與其承受壓力的對照關係圖。值得注意的是，已知該磁性粉末需要承受2.0~4.0Gpa的壓力，才能達到99%以上的壓實密度。其中，所述99%以上的壓實密度係指該磁性粉體達理論密度值(Theoretical Density)的 99%，為本發明所屬領域中具有通常知識者所能理解。因此，上述透過高速壓實製程對該加工槽11中的磁性粉末加壓的步驟必須驅使該磁性粉體產生130-260m/s之移動速度，方能對該磁性粉末施加2.0~4.0Gpa的壓力，以確實達到對該磁性粉末壓實的效果。其中，藉由調整該電磁壓實裝置1之扁平線圈組13所通入的電流值、通電時間與通電頻率等，或者改變該沖錘12的飛行距離、重量與截面積等參數，能夠使該磁性粉末達到符合本實施例所需之130-260m/s的移動速度，以對該磁性粉末加壓產生所需之2.0~4.0Gpa的壓力。

利用單次或重複執行上述高速壓實製程，使該加工槽11中的磁性粉末達到99%以上的壓實密度，所述磁性粉末完成高速壓實後即形成一磁性粉體。藉此，壓實密度達到99%以上之磁性粉體即形成等向性的磁性粉體，可用以形成等向性釹鐵硼磁石成品。由此可知，相較現有MQII或其它等向性釹鐵硼熱壓磁石產品必須經由述冷壓製程對磁性粉末進行初步加壓，使磁性粉末密度達到50-60%，並採用熱壓製程將磁性粉末升溫至500℃以上再次進行加壓，才可使磁性粉末達到99%以上的壓實密度，以形成所需之等向性釹鐵硼熱壓磁石產品，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例僅需將磁性粉末置入一加工槽，並透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，即可形成等向性釹鐵硼磁石，能夠有效縮短釹鐵硼磁石的製程時間。

惟，除了可以透過上述電磁壓實製程程對該加工槽中的磁性粉末加壓外，在本實施例的另一實施態樣中，可以透過***壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，請參照第5圖所示，係該***壓實製程所搭配使用之一種***壓實裝置2，該***壓實裝置2同樣具有一加工槽21，該加工槽21內部形成一容置空間R’，該容置空間R’可供容置一磁性粉末。該加工槽21具有連通該容置空間R’之一開口端211，一沖頭22係經由該 開口端211封閉該容置空間R’。此外，該***壓實裝置2包含一***筒23，該***筒23具有一殼體231，該殼體231內部可供充填***物質232，且該殼體231之二端分別結合該沖頭22及一引線233，使得該***物質232能夠分別接觸該沖頭22及該引線233。藉此，當該引線233利用電壓或高熱引爆該殼體231中的***物質232時，將可驅動該沖頭22以高速衝入該加工槽21之容置空間R’當中，使得該沖頭22能夠對該容置空間R’當中的磁性粉末加壓，以達到高速壓實效果。其中，藉由調整該***物質232之種類、成分比例或者改變該沖頭22之面積，同樣能夠確保該磁性粉末達到符合本實施例所需之130-260m/s的移動速度，以對該磁性粉末加壓產生所需之2.0~4.0Gpa的壓力。據此，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例可以透過電磁壓實、***壓實或其它高速壓實製程(例如：電氣液壓壓實)對該加工槽中的磁性粉末加壓，本發明並不以此為限。

請續參照第1圖所示，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例藉由上述高速壓實製程，使該加工槽中的磁性粉末達到99%以上的壓實密度後，所述磁性粉即形成該磁性粉體，該實施例之釹鐵硼磁石製作方法可以對壓實密度達到99%以上的磁性粉體進行熱變形製程，使其形成異向性釹鐵硼磁石。更詳言之，請一併參照第6圖所示，係該熱變形製程所搭配使用之一種熱變形裝置3，該熱變形裝置3具有一模仁31，該模仁31包含相互連通之一胚料槽311及一成形槽312，該成形槽312之截面積可以小於該胚料槽311之截面積，且一沖頭32能夠伸入該胚料槽311中，一頂出銷33則結合於該成形槽312遠離該胚料槽311之一端。

藉由上述結構，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例係將運用前述步驟所產生壓實密度達到99%以上的一等向性磁性粉體P置入該沖頭32與頂出銷33之間，並且將該模仁31加熱至750~900℃，以該沖頭32衝入壓實密度達到99%以上的等向性磁性粉體P，使該等向性磁性粉體P 產生形變並受迫進入該成形槽312中，進而成形為一環狀杯體達成熱變形處理。最後，在該沖頭32退出該胚料槽311後，對該頂出銷33加壓，使成形於該成形槽312當中的環狀杯體自該成形槽312移動至該胚料槽311，即可將完成熱變形處理之環狀杯體自該模仁31取出。所述壓實密度達到99%以上的等向性磁性粉體P經由該熱變形製程處理後，所形成之環狀杯體即為一異向性釹鐵硼磁石。相較現有MQIII或其它異向性釹鐵硼熱壓磁石產品在製作過程中，需經由熱壓製程升溫及熱變形製程升溫等多道升溫步驟，反覆將釹鐵硼磁石半成品升溫使晶粒成長，容易導致異向性釹鐵硼磁石成品的磁特性下降，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例僅需透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，再對完成高速壓實之磁性粉體進行熱變形製程，即可形成異向性釹鐵硼磁石，能夠有效改善異向性釹鐵硼磁石成品的磁特性。

藉由前揭之方法特徵，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例的主要特點在於：透過電磁壓實或***壓實等高速壓實製程對一加工槽中的磁性粉末進行加壓，以取代現有釹鐵硼磁石的製造方法之冷壓與熱壓步驟。所述高速壓實製程係驅使該磁性粉末產生130-260m/s之移動速度，使該加工槽中的磁性粉末達到99%以上的理論密度值，所述磁性粉末完成高速壓實後即形成一磁性粉體，藉此，壓實密度達到99%以上的磁性粉體即可形成等向性釹鐵硼磁石，或者再對壓實密度達到99%的磁性粉體進行熱變形製程，使其形成異向性釹鐵硼磁石。由於高速壓實製程能夠在短時間內大幅提升磁性粉末的壓實密度，且高速壓實製程在常溫下即可完成，無須耗費熱壓製程所需的升溫時間，因此本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例可有效縮短釹鐵硼磁石的製程時間，確實提升等向性釹鐵硼磁石或異向性釹鐵硼磁石等釹鐵硼磁石的量產效率。

再者，已知晶粒大小將會影響釹鐵硼磁石的磁特性，晶粒越大會使得釹鐵硼磁石在充磁過程中晶粒旋轉及移動配向越趨困難，進而降低其成品的磁特性。上述高速壓實製程係於短時間內提升磁性粉末之壓實密度，可避免磁性粉末在壓實過程中發生晶粒成長的情形，且高速壓實製程中能夠透過撞擊使磁性粉末的晶粒破碎細化，以現有運用熱壓成形製程之釹鐵硼磁石製作方法而言，磁性粉末完成熱壓製程後的晶粒外徑約為50~300μm，而經由高速壓實加壓之磁性粉體的晶粒外徑約為5~15um，據此，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例確實具有提升釹鐵硼磁石的磁特性之功效。

另一方面，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例僅需透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，再對完成高速壓實且壓實密度達到99%以上之磁性粉體進行熱變形製程，即可形成異向性釹鐵硼磁石，相較現有MQIII或其它異向性釹鐵硼熱壓磁石產品在製作過程中，需經由熱壓製程升溫及熱變形製程升溫等多道升溫步驟，反覆將釹鐵硼磁石半成品升溫，造成晶粒成長的情形嚴重，利用本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例製作異向性釹鐵硼磁石確實能夠大幅減緩晶粒成長的情形，使得改善異向性釹鐵硼磁石成品的磁特性之效果相對顯著。

除此之外，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例所採用之電磁壓實裝置1或***壓實裝置2之加工槽11、21均形成密閉空間，因此能夠在高速壓實過程中產生500℃以上的絕熱溫度，利用此溫度可以使該磁性粉末之富釹相(Nd-rich phase)形成熔融狀態而熔出晶粒表面，有利於提升後續製程中晶粒旋轉及移動配向的效果，進一步增加釹鐵硼磁石成品的磁特性。

綜上所述，本發明釹鐵硼磁石製作方法實施例藉由運用高速壓實製程，確可達到縮短釹鐵硼磁石的製程時間以提升量產效率及提升釹 鐵硼磁石的磁特性等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種釹鐵硼磁石製作方法，包含：製備一磁性粉末並將該磁性粉末置入一加工槽；透過高速壓實製程對該加工槽中的磁性粉末加壓，使該磁性粉末達到130-260m/s之移動速度，以對該磁性粉末施加2.0~4.0Gpa的壓力；及利用上述高速壓實製程，使該加工槽中的磁性粉末達到99%以上的壓實密度，所述磁性粉末完成高速壓實後形成一磁性粉體，該磁性粉體能夠用以形成等向性釹鐵硼熱壓磁石。
2. 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，對壓實密度達到99%以上的磁性粉體進行熱變形製程，使該磁性粉體成形為異向性釹鐵硼磁石。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該高速壓實製程為電磁壓實製程。
4. 如申請專利範圍第3項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該電磁壓實製程使用一電磁壓實裝置執行，該電磁壓實裝置具有一加工槽，該加工槽內部形成一容置空間以供容置該磁性粉末，該加工槽具有連通該容置空間之一開口端，一沖錘係經由該開口端伸入該容置空間，且該沖錘遠離該加工槽之一端係電性連接一扁平線圈組，透過對該扁平線圈組通入電流，以驅動該沖錘衝入該容置空間當中，使該沖錘對該容置空間當中的磁性粉末加壓。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該高速壓實製程為***壓實製程。
6. 如申請專利範圍第5項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該***壓實製程使用一***壓實裝置執行，該***壓實裝置具有一加工槽，該 加工槽內部形成一容置空間以供容置該磁性粉末，該加工槽具有連通該容置空間之一開口端，一沖頭係經由該開口端封閉該容置空間，且該***壓實裝置包含一***筒，該***筒具有一殼體，該殼體內部係供充填***物質，且該殼體之二端分別結合該沖頭及一引線，透過該引線引爆該殼體中的***物質，以驅動該沖頭衝入該容置空間當中，使得該沖頭對該容置空間當中的磁性粉末加壓。
7. 如申請專利範圍第2項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該熱變形製程使用一熱變形裝置執行，該熱變形裝置具有一模仁，該模仁包含相互連通之一胚料槽及一成形槽，一沖頭能夠伸入該胚料槽中，一頂出銷則結合於該成形槽遠離該胚料槽之一端，透過將壓實密度達到99%以上的一等向性磁性粉體置入該胚料槽，並且將該模仁加熱至750~900℃，以該沖頭衝入該胚料槽，使該等向性磁性粉體產生形變並受迫進入該成形槽中，進而成形為一環狀杯體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之釹鐵硼磁石製作方法，其中，該熱變形製程另對該頂出銷加壓，使成形於該成形槽當中的環狀杯體自該成形槽移動至該胚料槽，以將完成熱變形處理之環狀杯體自該模仁取出。