不同加工方式切割烧结钕铁硼磁体的表面微观形貌和粗糙度研究.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：572578Materials Research and ApplicationEmail：http：/不同加工方式切割烧结钕铁硼磁体的表面微观形貌和粗糙度研究元云岗,程星华,张昕,霍思媛（安泰科技股份有限公司，北京 100083）摘要：采用电花火加工、电镀金刚石线和内圆锯片切割钕铁硼材料，分析电火花加工、电镀金刚石线和内圆锯片切割对烧结钕铁硼磁体的微观形貌和表面粗糙度的影响。利用 SJ-410 粗糙度仪、JMS-6010LA 型扫描电子显微镜，对不同加工方式的切割工具的微观形貌、磁体的表面微观形貌及表面粗糙度进行表征。结果表明：电火花加工材料的去除方式为熔化、气化和热应力，内圆锯片和电镀金刚线的材料去除方式为塑性去除和塑性变形；在不同加工方式和切割速度条件下，电火花加工表面粗糙度最高达到了 7.5 m；在0.15 mmmin1切割速度下，电镀金刚石线的材料外形规则并呈球状，切割以面与面切削，单位应力小，金刚石压入深度小，粗糙度最小；在高切割速度下，电镀金刚石线的往复运动存在线锯切割换向，对工件会产生较大的正应力，表面粗糙度值高于内圆锯片。关键词：电火花加工；电镀金刚石线；内圆锯片；烧结钕铁硼；表面微观形貌；表面粗糙度中图分类号：TB34文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0572-07引文格式：元云岗，程星华，张昕，等.不同加工方式切割烧结钕铁硼磁体的表面微观形貌和粗糙度研究 J.材料研究与应用，2023，17（3）：572-578.YUAN Yungang，CHENG Xinghua，ZHANG Xin，et al.Study on Surface Morphology and Roughness of Sintered Nd-Fe-B Magnets Cutting by Different Processing Methods J.Materials Research and Application，2023，17（3）：572-578.烧结钕铁硼磁体作为第三代稀土永磁材料，由于其高磁能积、高矫顽力和高剩磁，被广泛应用于电子消费品、新能源汽车、医疗、航空航天等领域中。由于烧结钕铁硼磁体的高性能，推动了应用领域持续小型化、高能化和元件化的方向发展，并在消费类电子产品领域中不断引发新的设计和产品的更新换代，对产品的形状、尺寸和表面粗糙度提出了更高的要求1-3。烧结钕铁硼磁体属于硬脆材料，其强度和硬度高、脆性大，加工缺点是塑性低、易脆性破坏、产生微裂纹和加工成本高，这些特征导致加工十分困难，加工方法选择不适会引起工件表面层组织的破坏，难实现高精度、高效率、高可靠性的加工。目前，加工烧结钕铁硼磁体的方式主要是电火花 加 工 工 艺、电 镀 金 刚 石 线 工 艺 和 内 圆 锯 切 工艺4-5。电火花加工工艺具有可切割复杂尺寸、对材料机械性能无要求、切割合格率高等优点，被广泛应用于切割烧结钕铁硼磁体。电火花加工是通过对电极丝（钼丝）加载脉冲电压，电极丝和工件置于绝缘的工作液中，因电极之间的放电效应，产生火花放电，通过悬浮于电介质中高能等离子体的刻蚀作用，使工件表层材料融熔、气化而去除，实现材料切割6-7。Arvi Knuusing 等8对烧结钕铁硼材料进行线电火花加工发现，电火花加工能取得更好的精度和表面粗糙度，而且他对材料的热损伤小，但其加工效率低。李丽等9-10设计不同参数下电火花线切割钕铁硼材料，研究电火花线切割钕铁硼材料的去除机理，探究电火花线切割参数对钕铁硼材料的切割效率及表面粗糙度的影响。固结磨料金刚石具有切割效率高、锯缝宽度小、切片质量好等优点，应用于切割烧结钕铁硼材料，并且发展出内圆锯切和电镀金刚石线工艺11-12。内圆锯切是刀片内圆刃口镀金刚石，被切割材料相对于刀片旋转中心在径向做相对运动，从而实现物料切割。大量学者对内圆锯切效率优化、内圆锯切切割质量、内圆锯切机理研究做了大量工作13-16。电镀金刚石线是通过电镀工艺将镍或镍合金沉积到刚线基体上，依靠镀层固结金刚石磨粒，学者们的研究主要集中在切割机理、电镀金刚线磨粒密度的影响、镍收稿日期：2022-08-10作者简介：元云岗，硕士，工程师，研究方向为稀土永磁材料，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.000321层结合力方面17-21。本文通过对电花火加工、内圆锯切和电镀金刚石线切割烧结钕铁硼材料的微观形貌和表面粗糙度的研究，得出三者对表面粗糙度的影响机理，同时进行了差异对比，为实际生产选择工艺提供理论参考。1实验材料与方法1.1实验材料实验材料选用 50SH 烧结钕铁硼磁体，由安泰科技股份有限公司提供。采用电花火加工、内圆锯切和电镀金刚石线加工烧结钕铁硼磁体，试样的尺寸为 47 mm38 mm2 mm1.2实验方法利用型号 DK77400 线切割设备、型号 J5060C内圆切片机和型号 CF400T 型多线切割机对烧结钕铁硼磁体进行加工，其中切割速度分别为 0.15、0.45和 0.75 mmmin1。采用 JMS-6010LA 型扫描电子显微镜，观察切割面的微观形貌。采用 SJ-410 型表面粗糙度仪，测试切割面表面粗糙度，其中粗糙度仪设定参数为c=0.8 mm、In=5。2实验结果与分析2.1断面微观形貌采用粉末冶金工艺生产烧结钕铁硼磁体，并且对烧结钕铁硼磁体进行折断处理，观察其断面的微观形貌（见图 1）。从图 1可以看出：断口平整且为结晶状、颜色较亮，白色的富钕相均匀地分布在主相的周边；断面呈现明显的脆断特征，主要为沿晶断裂，也有少量的穿晶断裂。2.2不同加工方式的切割工具的微观形貌电火花加工是通过对电极丝（钼丝）加载脉冲电压，电极丝和被切割材料形成 2个不同电极，两电极之间的放电效应，产生火花放电，使被切割材料表层材料融熔，气化而去除，实现材料切割。内圆锯切和电镀金刚石线工艺是不同工艺，分别是将金刚石磨粒固结在内圆刃口或刚线基体上。图 2为不同加工方式的切割工具的微观形貌。从图 2 可以看出：钼丝表面光滑，其直径为 0.180.2 mm；而内圆锯片表面金刚石随机分布于内圆刃口表面且无团聚现象，金刚石尺寸为 25100 m，金刚石形状不规则尖棱位置多；与内圆锯片表面金刚石相比，电镀金刚石线表面的金刚石比较均匀地分布于基体线表面，但存在微团聚，金刚石尺寸为 2060 m，比内圆锯片表面金刚石的尺寸小 40%。与内圆锯片表面金刚石相比，其金刚石形状成球形，尖棱区域小。（a）断面 500；（b）断面金相 500。（a）section 500；（b）section metallographic structure 500.图 1烧结钕铁硼磁体的断面微观形貌Figure 1Cross section micromorphology of sintered NdFeB magnet元云岗等：不同加工方式切割烧结钕铁硼磁体的表面微观形貌和粗糙度研究层结合力方面17-21。本文通过对电花火加工、内圆锯切和电镀金刚石线切割烧结钕铁硼材料的微观形貌和表面粗糙度的研究，得出三者对表面粗糙度的影响机理，同时进行了差异对比，为实际生产选择工艺提供理论参考。1实验材料与方法1.1实验材料实验材料选用 50SH 烧结钕铁硼磁体，由安泰科技股份有限公司提供。采用电花火加工、内圆锯切和电镀金刚石线加工烧结钕铁硼磁体，试样的尺寸为 47 mm38 mm2 mm1.2实验方法利用型号 DK77400 线切割设备、型号 J5060C内圆切片机和型号 CF400T 型多线切割机对烧结钕铁硼磁体进行加工，其中切割速度分别为 0.15、0.45和 0.75 mmmin1。采用 JMS-6010LA 型扫描电子显微镜，观察切割面的微观形貌。采用 SJ-410 型表面粗糙度仪，测试切割面表面粗糙度，其中粗糙度仪设定参数为c=0.8 mm、In=5。2实验结果与分析2.1断面微观形貌采用粉末冶金工艺生产烧结钕铁硼磁体，并且对烧结钕铁硼磁体进行折断处理，观察其断面的微观形貌（见图 1）。从图 1可以看出：断口平整且为结晶状、颜色较亮，白色的富钕相均匀地分布在主相的周边；断面呈现明显的脆断特征，主要为沿晶断裂，也有少量的穿晶断裂。2.2不同加工方式的切割工具的微观形貌电火花加工是通过对电极丝（钼丝）加载脉冲电压，电极丝和被切割材料形成 2个不同电极，两电极之间的放电效应，产生火花放电，使被切割材料表层材料融熔，气化而去除，实现材料切割。内圆锯切和电镀金刚石线工艺是不同工艺，分别是将金刚石磨粒固结在内圆刃口或刚线基体上。图 2为不同加工方式的切割工具的微观形貌。从图 2 可以看出：钼丝表面光滑，其直径为 0.180.2 mm；而内圆锯片表面金刚石随机分布于内圆刃口表面且无团聚现象，金刚石尺寸为 25100 m，金刚石形状不规则尖棱位置多；与内圆锯片表面金刚石相比，电镀金刚石线表面的金刚石比较均匀地分布于基体线表面，但存在微团聚，金刚石尺寸为 2060 m，比内圆锯片表面金刚石的尺寸小 40%。与内圆锯片表面金刚石相比，其金刚石形状成球形，尖棱区域小。（a）断面 500；（b）断面金相 500。（a）section 500；（b）section metallographic structure 500.图 1烧结钕铁硼磁体的断面微观形貌Figure 1Cross section micromorphology of sintered NdFeB magnet573材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.3相同加工方式和下不同加工速度的切割微观形貌和表面粗糙度2.3.1电火花加工不同的加工速度会形成不同的切割微观形貌。图 3为电火花加工切割不同切割速度下切割微观形貌。从图 3（a）可以看出，在低切割速度下切割面呈现凸起和凹坑状态，但凹坑深度较浅。这是由于低切割速度下，脉冲宽度和峰值电流低，单脉冲能量低且热量小，因此产生的爆炸冲击力小，材料的蚀除方式以熔化、气化为主，放电中靠近基体的熔化材料由于热量低在放电间隙凝固，形成浅凹坑。同时，在此加工参数下脉冲间隙大，蚀除产物能有效地排出，凸起和凹坑平缓，表面粗糙低。从图 3（b）可见，随着切割速度增加，表面出现深凹坑，这是由于脉冲宽度和峰值电流增加，单脉冲能力高且热量大，产生的爆炸冲击力大，材料的蚀除方式以热应力去除为主，熔化、气化方式为辅。从图 3（c）可见，在高切割速度（0.75 mmmin1）下，电火花加工的表面出现微裂纹。这是由于加工表面骤热骤冷，熔融状态下的合金迅速冷却而收缩，基体产生极大的拉应力，局部应力超出烧结钕铁硼材料的强度极限时切割表面产生微裂纹，因此单脉冲能量越大，拉应力越大，裂纹数量越多。（a）0.15 mmmin1；（b）0.45 mmmin1；（c）0.75 mmmin1。图 3电火花加工时切割微观形貌Figure 3micro-morphology of EDM cutting（a）钼丝，50；（b）内圆锯片，50；（c）电镀金刚石线，50；（a1）钼丝，200；（b1）内圆锯片，200；（c1）电镀金刚石线，200。（a）molybdenum wire，50；（b）internal circular saw blade，50；（c）electroplated diamond wire，50；（a1）molybdenum wire，200；（b1）internal circular saw blade，200；（c1）electroplated diamond wire，200.图 2不同加工方式切割工具表面的微观形貌Figure 2Micro-morphology of cutting tools with different processing methods574元云岗等：不同加工方式切割烧结钕铁硼磁体的表面微观形貌和粗糙度研究电火花加工时，电极和加工材料形成放电通道，瞬时高温热源的热传导使加工材料的局部温度高