粘結(jié)鐵硼磁體的溫壓成型工藝研究

粘結(jié)鐵硼磁體的溫壓成型工藝研究

由于其形狀自由大、尺寸精度高、無(wú)需二次加工等優(yōu)點(diǎn)，粘接鐵磁體成為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品不可或缺的重要原材料。粘結(jié)磁體的成型方法主要包括模壓成型、注射成型、擠出成型和壓延成型等。雖然早在1996年,日本的松永秀樹(shù)等人用HDDR磁粉,采用溫壓成型(80～100℃)技術(shù)制備粘結(jié)磁體進(jìn)行了部分研究,指出溫壓成型可以提高磁粉與模具之間的潤(rùn)滑性,有效提高釹鐵硼粘結(jié)磁體的性能,然而一直以來(lái)對(duì)制備粘結(jié)磁體的溫壓工藝參數(shù)的研究還不很深入。采用磁場(chǎng)混料的方法,從改善磁粉的濕混工藝入手,對(duì)用于溫壓工藝的不同粘結(jié)劑種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)選,并且找到粘結(jié)劑的溫壓溫度與粘結(jié)劑固化反應(yīng)溫度的關(guān)系,同時(shí)討論了粘結(jié)劑的適量添加對(duì)溫壓工藝制備的粘結(jié)磁體的磁性能和機(jī)械性能以及抗氧化性的影響。1穩(wěn)定性雙酚a環(huán)氧樹(shù)脂根據(jù)圖1所示的流程制備粘結(jié)磁體,試驗(yàn)中磁粉預(yù)處理是使用了鈦酸酯偶聯(lián)劑,用量為0.5%。共選用了三種不同的粘結(jié)劑A,B和C,其中粘結(jié)劑A,B為常用的熱固性雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂,粘結(jié)劑A的環(huán)氧值大于B的環(huán)氧值,而粘結(jié)劑C是自制的常溫為半固態(tài)的粘結(jié)劑。粘結(jié)劑的固化劑為順丁烯二酸酐。采用溫壓工藝,將濕法混煉的磁粉在RBY800型磁場(chǎng)壓機(jī)上壓制成型,磁場(chǎng)方向與壓制方向垂直,固化溫度為150℃,時(shí)間為60min。磁體在DCD電容式充磁電源設(shè)備上充磁,在DGY-2C型多功能磁性分析儀進(jìn)行性能測(cè)試,利用掃描電鏡電鏡(SEM)對(duì)試樣磁粉形貌進(jìn)行分析,用Perkin-ElmerDSC-7設(shè)備測(cè)定不同粘結(jié)劑的固化反應(yīng)溫度。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1固定磁粉顆粒的取向度制備粘結(jié)釹鐵硼的粘結(jié)劑通常為固態(tài)或者半固態(tài),分散度不高,密度又與永磁粉相差懸殊,若與永磁粉末直接混合不能保證每個(gè)磁粉顆粒被均勻包覆,固化后會(huì)降低永磁體的粘結(jié)強(qiáng)度。因此,選擇適當(dāng)?shù)娜軇┫葘⒄辰Y(jié)劑溶解,配以一定比例的固化劑,制成分子高度分散的固體膠溶液,再將溶液與經(jīng)表面預(yù)處理的釹鐵硼粉末均勻混合,使每個(gè)永磁粉末被粘結(jié)劑分子均勻包覆。溶劑揮發(fā)后制成基本無(wú)粘性的混合料,再進(jìn)行成型。在一個(gè)造好的顆粒中,磁粉的易磁化方向被隨機(jī)固定在不同的方向,如圖2(a)所示。在這種情況下,在常溫壓制過(guò)程中,無(wú)論壓制磁體時(shí)的取向場(chǎng)有多大,磁體的取向度也不會(huì)很高。一種可能的解決方案就是在磁場(chǎng)下混膠造粒,這樣,在磁場(chǎng)下造粒的過(guò)程中,每個(gè)磁粉顆粒因?yàn)榇艌?chǎng)的作用互相排斥,盡量使顆粒間保持理想的相互獨(dú)立,如圖2(b)所示,包覆在磁粉表面的粘結(jié)劑起到了一定的潤(rùn)滑作用,利于磁粉在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng),從而提高取向度。即使在粘結(jié)劑的溶劑完全揮發(fā)之前,因?yàn)閿嚢璧牟煌耆?在一個(gè)造好的顆粒中,粘結(jié)劑粘結(jié)了多個(gè)磁粉顆粒,但是因?yàn)榇艌?chǎng)的存在使得相互粘結(jié)的顆粒保持相同的磁化方向,磁粉的易磁化方向被固定在同一方向,如圖2(c)所示,在壓制磁體時(shí),每個(gè)造好的顆粒將在取向磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),而每個(gè)顆粒中磁粉的易磁化方向都是一樣的,從而使磁體獲得高的取向度。圖3的SEM圖片顯示了經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)混料與未經(jīng)磁場(chǎng)混料后的磁粉形貌。圖3(a)是未經(jīng)磁場(chǎng)混料的磁粉形貌,磁粉大多是相互粘連狀態(tài)。圖3(b)為經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)混料的磁粉,大部分磁粉相互獨(dú)立,并且粘結(jié)的磁粉團(tuán)的尺寸明顯比未經(jīng)磁場(chǎng)混煉的磁粉團(tuán)尺寸小。圖4是磁場(chǎng)混料對(duì)常溫壓制和90℃溫壓壓制磁體性能影響的對(duì)比結(jié)果。發(fā)現(xiàn)在常溫壓制時(shí)磁場(chǎng)混料的作用明顯,性能提高了10%,但是在溫壓工藝中的效果不是很明顯,性能只提高了1.2%。這是由于在磁場(chǎng)壓制成型過(guò)程中,磁粉間的摩擦力是磁粉向易軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的最大障礙,經(jīng)磁場(chǎng)混料的磁粉顆粒,因?yàn)橄嗷オ?dú)立而易于轉(zhuǎn)動(dòng),或者是取向方向相同,所以能提高磁體的取向度,從而提高磁性能。然而在溫壓的時(shí)候,粘結(jié)劑黏度降低,大大減小了磁粉在取向場(chǎng)的作用下而轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力和阻力,而提高取向度,因此磁場(chǎng)混料的作用不明顯。結(jié)果表明,磁場(chǎng)混料更適合常溫壓制,而在溫壓工藝中作用不明顯。2.2固化反應(yīng)溫度對(duì)磁體性能的影響為了實(shí)現(xiàn)用于溫壓工藝的粘結(jié)劑進(jìn)行優(yōu)選,做了3種粘結(jié)劑體系的對(duì)比試驗(yàn),其中粘結(jié)劑A和B為常用的熱固性雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂,粘結(jié)劑A的環(huán)氧值大于B的環(huán)氧值,粘結(jié)劑C是自制的常溫為半固態(tài)的粘結(jié)劑。溫壓過(guò)程中使用溫壓工藝得到磁性能相對(duì)高的磁體,是由于處于粘流態(tài)的聚合物的黏度隨著溫度的升高而降低,潤(rùn)滑性更好,有利于提高磁體的密度和取向度,從而獲得高性能磁體,但黏度亦不宜過(guò)低,否則會(huì)降低潤(rùn)滑膜在磁粉表面上的附著能力,造成磁粉過(guò)多的暴露在空氣中而加劇氧化的發(fā)生,同時(shí)使磁粉相互接觸增多,而增大取向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。這兩種因素相互作用的結(jié)果導(dǎo)致溫壓工藝中存在一個(gè)最佳的壓制溫度,并且對(duì)于不同的聚合物系統(tǒng),其最佳壓制溫度也不同。溫壓溫度范圍的選擇是以粘結(jié)劑與固化劑反應(yīng)溫度以及粘結(jié)劑本身的軟化溫度為依據(jù)的。因此為了找到不同粘結(jié)劑體系的最佳溫壓溫度,首先對(duì)粘結(jié)劑體系的固化反應(yīng)溫度進(jìn)行分析。在未加入固化劑時(shí),粘結(jié)劑A和B的軟化溫度分別是70℃和90℃,粘結(jié)劑C為常溫半固態(tài),但是由于有固化劑的加入,3種粘結(jié)劑黏度變化和固化反應(yīng)過(guò)程隨著溫度升高有不同的變化規(guī)律。圖5為3種粘結(jié)劑A,B和C與一定比例的固化劑固化反應(yīng)的DSC曲線(xiàn),從中發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑A,B和C開(kāi)始固化溫度分別是100℃,108℃和146℃。圖6是不同粘結(jié)劑對(duì)溫壓工藝制備的磁體的磁性能的影響。從圖6可知,粘結(jié)劑體系A(chǔ),B和C的最佳溫壓溫度分別是80℃,100℃和90℃,即此時(shí)不同的粘結(jié)劑體系包覆的磁粉的流動(dòng)性最好,易于在取向轉(zhuǎn)動(dòng),因此得到了的最高磁性能。隨著溫度的進(jìn)一步升高,粘結(jié)劑的對(duì)磁粉的包覆效果下降,使得磁粉暴露于高溫的壓制環(huán)境中被氧化,從而導(dǎo)致磁性能的下降。固化反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行后,固化了的粘結(jié)劑交聯(lián)在一起形成大分子,呈現(xiàn)凝膠狀態(tài),減弱甚至消除了粘結(jié)劑的流動(dòng)性,凝膠態(tài)的粘結(jié)劑對(duì)顆粒的牽制作用阻礙了顆粒對(duì)磁體內(nèi)孔隙的填充,不利于磁體密度和取向度的提高。從圖5和圖6對(duì)比分析中知,環(huán)氧樹(shù)脂體系粘結(jié)劑A和B二種粘結(jié)劑體系分別在高于軟化溫度20℃,且低于固化反應(yīng)溫度低于20℃的范圍內(nèi)達(dá)到了最佳壓制溫度,雖然兩者對(duì)磁體性能影響的差別不是很大,但是環(huán)氧值較低的粘結(jié)劑B的包覆效果優(yōu)于A。自制的粘結(jié)劑C在低于固化反應(yīng)溫度60℃內(nèi)達(dá)到了最佳溫壓溫度,這是由于在90～160℃間粘結(jié)劑的黏度太低,粘結(jié)劑附著于磁粉的能力下降,使得磁粉暴露在氧化氛圍,加劇氧化,而降低了磁體的性能。從圖6看出,常溫為半固態(tài)的粘結(jié)劑C溫壓效果最好,因?yàn)榱鲃?dòng)性較好,易溶于有機(jī)溶劑,因此與磁粉的包覆效果好,在90℃溫壓獲得的粘結(jié)磁體的磁能積比同體系粘結(jié)劑常溫壓制得到的磁體的性能提高45.8%,比兩種環(huán)氧樹(shù)脂體系粘結(jié)劑A和B最高溫壓磁體性能分別提高6.2%和11.7%。2.3粘結(jié)劑用量的影響粘結(jié)劑對(duì)粘結(jié)磁體性能的影響較大,因?yàn)檎辰Y(jié)劑是非磁性物質(zhì),因此粘結(jié)劑的含量不宜過(guò)多,但是含量太少時(shí),粘結(jié)磁體的機(jī)械強(qiáng)度不夠。所以磁體的最終性能,包括磁性能和機(jī)械性強(qiáng)度,都與粘結(jié)劑的添加量直接相關(guān)。圖7中給出了粘結(jié)劑的添加量與磁體的剩磁Br、磁能積(BH)max、矯頑力iHc、密度ρ和抗壓強(qiáng)度σb的關(guān)系曲線(xiàn)。發(fā)現(xiàn)隨著粘結(jié)劑含量的增加,磁體的抗壓強(qiáng)度σb提高,表明磁體的力學(xué)性能改善,粘結(jié)作用明顯,同時(shí),其磁性能包括剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br,矯頑力iHc及最大磁能積(BH)max均有先增加后降低的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)粘結(jié)劑含量較少時(shí),不僅粘結(jié)效果不佳,導(dǎo)致磁體的抗壓強(qiáng)度差,并且包覆作用效果也不好,導(dǎo)致溫壓過(guò)程中磁粉的大量氧化,因此,性能在粘結(jié)劑含量低于1.0%時(shí)磁性能較低。當(dāng)粘結(jié)劑含量超過(guò)1.5%時(shí),粘結(jié)劑防止磁粉氧化的作用得到了充分的發(fā)揮,磁性能達(dá)到了最大值。隨著非磁性的粘結(jié)劑含量的增加,而磁性成分減少,降低了材料磁性的總效應(yīng),因此隨著粘結(jié)劑含量的增加,剩磁Br下降。同時(shí)由于磁粉顆粒間由非磁性粘結(jié)劑所隔離,顆粒內(nèi)部組織未發(fā)生變化,因而矯頑力iHc降低的趨勢(shì)不明顯。綜上所述,粘結(jié)劑基于磁體的磁性能和力學(xué)性能綜合考慮,多次試驗(yàn)表明,粘結(jié)劑的添加量為磁粉質(zhì)量的2%為宜。3溫度、溫度和熱壓在粘結(jié)釹鐵硼的制備中,常溫壓制采用磁場(chǎng)混料方式,可提高磁體性能10%,而在溫壓工藝中磁場(chǎng)混料的作用不明顯,只能提高1.2%的磁體性能。不同的粘結(jié)劑體系的最佳