流動溫壓成型黏結(jié)釹鐵硼/鍶鐵氧體復合磁體的研究

鐘喜春，胡　庚，郭興家，劉仲武

(華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州 510640)

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流動溫壓成型黏結(jié)釹鐵硼/鍶鐵氧體復合磁體的研究

鐘喜春，胡庚，郭興家，劉仲武

(華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州 510640)

采用流動溫壓成型工藝制備黏結(jié)釹鐵硼/鍶鐵氧體復合磁體，研究溫壓工藝參數(shù)對釹鐵硼/鍶鐵氧體復合磁體磁性能的影響。結(jié)果表明：隨著溫壓溫度、壓制時間以及保壓壓力的提高，黏結(jié)復合磁體的磁性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。流動溫壓成型參數(shù)的選擇與黏結(jié)劑有關(guān)，采用酚醛環(huán)氧樹脂BPANE8200為黏結(jié)劑時，流動溫壓成型的最佳工藝參數(shù)：77℃加載900MPa并保壓8min，復合磁體的剩磁Br、內(nèi)稟矯頑力Hcj以及最大磁能積(BH)max均獲得最大值，即Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3。

流動溫壓成型；黏結(jié)復合磁體；磁性能；黏結(jié)劑

黏結(jié)磁體由于具有易成型復雜形狀零件、磁性能均一性好等優(yōu)點，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應用[1-5]。目前黏結(jié)磁體的成型方法主要有壓縮成型、注射成型、擠壓成型和壓延成型，其中前兩者成型法應用最廣[6-8]。壓縮成型法具有黏結(jié)劑用量少(僅為磁體體積的10%～20%)、磁粉所占比例大、成型后磁體致密度高、磁體磁性能好等優(yōu)點，但它僅適用于成型簡單形狀的磁體。注射成型法中黏結(jié)劑加入量大(為磁體體積的20%～30%)，黏結(jié)劑受熱熔融后具有很好的流動性，易于成型復雜形狀的磁體，但磁體磁性能稍差。2001年，德國IFAM研究所首次提出流動溫壓成型的概念[9]，該技術(shù)是在一定溫度范圍內(nèi)加熱包覆有黏結(jié)劑的粉末，使黏結(jié)劑受熱變成黏流態(tài)，然后進行壓縮成型。黏流態(tài)的黏結(jié)劑有利于粉末填充能力和成型性的提高，因此它既具有壓縮成型高密度的特點，又能像注射成型一樣成型復雜形狀的零件，是一項極具潛力的新技術(shù)[10-15]。劉云鶴等[16,17]將流動溫壓成型用于黏結(jié)磁體領(lǐng)域，取得了較好的結(jié)果，但此方面的系統(tǒng)研究偏少。本工作采用流動溫壓成型工藝制備釹鐵硼/鍶鐵氧體復合磁體，并與普通模壓工藝成型磁體進行磁性能對比。同時研究流動溫壓成型工藝參數(shù)(溫壓溫度、壓制壓力、保壓時間)對成型磁體性能的影響，以期為黏結(jié)復合磁體的生產(chǎn)提供指導。

1　實驗材料及方法

1.1磁體制備

選用HDDR-NdFeB磁粉(無錫諾德有限公司)和鍶鐵氧體(梅州磁性材料有限公司)為原料，磁粉的磁性能如表1所示。將研磨并篩分出粒度在45μm以下的釹鐵硼磁粉與鍶鐵氧體磁粉混合，兩者的質(zhì)量比為9∶1，經(jīng)1.0%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的KH-550偶聯(lián)劑處理后，加入3.0%酚醛環(huán)氧樹脂BPANE8200黏結(jié)劑(軟化點溫度為66.8℃)及適量固化劑(順丁烯二酸酐)，混合并干燥后采用流動溫壓法進行磁體的成型，成型后的坯體在氬氣保護氛圍下的管式爐中固化(180℃/120min)，后隨爐冷卻至室溫。

表1　磁粉的磁性能

1.2磁體組織表征與性能測試

固化后的磁體密度采用排水法測量；通過Quanta 200掃描電子顯微鏡觀察磁體斷口形貌；利用綜合物理性能測試系統(tǒng)(PPMS)配套的振動樣品磁強計(VSM)組件測量磁體的磁性能。

2　結(jié)果與討論

2.1溫壓溫度對黏結(jié)磁體磁性能及密度的影響

圖1為900MPa壓力下保壓8min，溫壓溫度與黏結(jié)復合磁體磁性能及密度D的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯捎昧鲃訙貕悍ㄅc普通模壓法(即25℃時的常溫壓制)相比，其成型的黏結(jié)復合磁體磁性能及密度普遍更高。原因是普通模壓法是在常溫條件下壓制，此時黏結(jié)劑為固態(tài)，壓制時磁粉不易滑動及轉(zhuǎn)動，壓制壓力不能均勻高效地在磁粉間傳遞，磁粉不易被壓實，且由于壓制壓力傳遞不均勻，導致部分磁粉破碎嚴重，從而造成磁體的密度及磁性能差。當采用流動溫壓成型時，黏結(jié)劑受熱軟化或成黏流態(tài)，使磁粉流動性改善，黏流態(tài)的潤滑劑有利于減少磁粉之間以及磁粉與模具內(nèi)壁之間的摩擦力，磁粉的滑動與轉(zhuǎn)動也更容易，壓制壓力可以均勻高效地在磁粉之間傳遞，磁粉的破碎情況得到改善，所以采用流動溫壓成型的磁體密度及磁性能更好。

圖1　不同溫壓溫度對黏結(jié)復合磁體磁性能和密度的影響Fig.1　Effect of different warm compaction temperatures on magnetic properties and density of bonded hybrid magnets

采用流動溫壓法成型磁體時，隨著溫壓溫度的升高，磁體的密度及磁性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢：在77℃時，磁體的剩磁Br、內(nèi)稟矯頑力Hcj以及最大磁能積(BH)max獲得了最大值，即Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3。隨著溫度的上升，復合磁體的密度及磁性能逐漸減小。這是因為，所用的黏結(jié)劑BPANE8200軟化點為66.8℃，從67～77℃隨著溫度的升高，黏結(jié)劑從軟化態(tài)變?yōu)轲ち鲬B(tài)，壓制時磁粉的流動性變好，磁體更易被壓實，所以磁體的密度及磁性能上升。圖2為不同溫壓溫度制備的黏結(jié)復合磁體斷口形貌。由圖2(a)，(b)可知，77℃壓制的磁體斷口上孔隙較67℃時少，磁粉的破碎情況也較輕，有利于獲得高密度、高磁性能的磁體。但加熱溫度超過77℃后，磁體的性能反而會降低。這是因為隨著溫壓溫度的上升，在空氣中壓制的磁粉氧化將逐漸變得嚴重，使硬磁相NdFeB受損。而且在溫壓加熱過程中，磁粉中混合的固化劑順丁烯二酸酐會和黏結(jié)劑發(fā)生交聯(lián)反應，呈現(xiàn)凝膠態(tài)，對磁粉顆粒的轉(zhuǎn)動及滑動有一定的牽制作用，使磁粉對孔隙的填充變得困難。如果溫度過高，黏結(jié)劑還會由于固化反應產(chǎn)生三維網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)，這種大分子分布在黏結(jié)劑中，會嚴重阻礙壓制時磁粉的滑動和轉(zhuǎn)動，而且由于壓力傳遞不均勻，使局部磁粉受力過大造成磁粉破碎。如圖2(c)，(d)所示，87℃及97℃壓制的磁體比77℃壓制的磁體孔隙更大，磁粉破碎也更嚴重，這些都不利于磁體密度及磁性能的提高，所以過高的溫壓溫度反而會造成磁體密度及磁性能的下降。

圖2　不同溫壓溫度制備的黏結(jié)復合磁體斷口形貌　(a)67℃；(b)77℃；(c)87℃；(d)97℃Fig.2　Fracture surface morphologies of bonded hybrid magnets prepared at different warm compaction temperatures(a)67℃；(b)77℃；(c)87℃；(d)97℃

圖3　不同壓制壓力對黏結(jié)復合磁體磁性能和密度的影響Fig.3　Effect of different compaction pressures on magnetic properties and density of the bonded hybrid magnets

2.2壓制壓力對黏結(jié)磁體磁性能及密度的影響

圖3為77℃保壓8min條件下，不同壓制壓力對黏結(jié)復合磁體的密度及磁性能影響曲線。可以看出，磁體密度D隨著壓制壓力的增大而增大，并沒有出現(xiàn)拐點。壓力從500MPa增加到900MPa過程中磁體密度上升較快，但當壓力超過900MPa之后磁體的密度隨壓力的增大略有增加。這是由于隨著壓制壓力的增大，一方面磁粉在壓力作用下發(fā)生滑動和轉(zhuǎn)動，有效填充磁粉顆粒之間的間隙。另一方面，壓力的增大可以使磁粉顆粒發(fā)生變形，“拱橋效應”被破壞，這些都有利于磁體的致密化，使磁體密度較快增加。但當磁體密度達到一定值后，繼續(xù)增加壓制壓力將導致鱗片狀的HDDR-NdFeB磁粉發(fā)生變形及斷裂，破碎的片狀磁粉可以填入部分剩余間隙，故磁體的密度隨著壓制壓力的增大而略有增加。剩磁Br隨著壓制壓力的增加而增大，當壓力為900MPa時達到最大值，即Br=522mT，后隨著壓力的增大而減小。這是因為在其他條件相同的情況下，黏結(jié)磁體的密度越高，剩磁Br越大[6]，壓力從500MPa提高到900MPa時，磁體密度提高，磁體的剩磁Br也隨之增大。但當壓力過大時，磁粉破碎情況嚴重，斷裂形成的新鮮斷口處由于沒有偶聯(lián)劑及黏結(jié)劑的保護，在77℃壓制時，磁粉表面尤其是新鮮斷口處有機會與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應，造成磁體的剩磁Br在增加到最大值后隨著壓制壓力的增大反而略有降低。內(nèi)稟矯頑力Hcj在700MPa時達到了最大值，然后隨著壓制壓力的增加而降低。這是因為隨著壓制壓力的增大，粉末顆粒間隙減小，從而減少了反向形核的位置，有利于矯頑力的增加。圖4為不同壓制壓力制備的黏結(jié)復合磁體斷口形貌?？芍攭褐茐毫χ饾u增大時，磁粉破碎也逐漸加劇(圖4(b))，甚至有些磁粉直接被壓潰(如圖4(b)中箭頭所示位置)，嚴重損傷了磁粉的磁疇結(jié)構(gòu)，斷裂處易成為反磁化疇核的形成中心，使磁體退磁場增加，從而導致矯頑力降低。最大磁能積(BH)max由于要受到剩磁及矯頑力的影響，所以總體也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在900MPa時獲得了最大值，即(BH)max=39.82kJ/m3。

圖4　不同壓制壓力制備的黏結(jié)復合磁體斷口形貌　(a)500MPa；(b)1500MPaFig.4　Fracture surface morphologies of the bonded hybrid magnets with different compaction pressures　(a)500MPa；(b)1500MPa

圖5　不同保壓時間對黏結(jié)復合磁體磁性能和密度的影響Fig.5　Effect of different compaction time on magnetic properties and density of the bonded hybrid magnets

2.3保壓時間對黏結(jié)磁體磁性能及密度的影響

壓制成型的磁體如果不經(jīng)過保壓直接進行脫模會造成型后的磁體殘余應力較大，彈性后效的疊加會導致磁體變形，從而使脫模后的磁體易產(chǎn)生裂紋甚至開裂，影響到磁體的最終使用性能。圖5為77℃、900MPa下，不同保壓時間對黏結(jié)復合磁體的密度及磁性能影響曲線。可見，黏結(jié)磁體的密度及磁性能隨著保壓時間的延長而逐漸增大，在8min時獲得了最大值，但是當保壓時間超過8min后又呈下降趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：磁粉混合物料由于表面包覆有一層導熱性較差的黏結(jié)劑，當模具溫度加熱到77℃時，此時磁粉(尤其是遠離模具壁的磁粉)的溫度遠低于77℃。為了解模具中心磁粉的溫度變化情況，如圖6(a)測試裝置所示，首先將模具溫度加熱至77℃，然后快速向模具中填充磁粉混合物料并壓緊，在模具的磁粉內(nèi)部中心位置插入一根水銀溫度計用來記錄磁粉的溫度隨時間的變化情況，具體結(jié)果如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，經(jīng)過4min加熱后，磁粉內(nèi)部的溫度只有70℃，僅略高于黏結(jié)劑的軟化溫度(66.8℃)。此時混合物料未完全形成黏流態(tài)，磁粉之間以及磁粉與模具內(nèi)壁之間的潤滑性差，摩擦力大，在壓制過程中不利于磁粉的滑動和轉(zhuǎn)動，磁粉之間的間隙不能得到有效填充，所以磁體的密度及磁性能較低。隨著保壓時間的增加，混合物料整體被加熱到77℃，此時磁粉表面的黏結(jié)劑變成了黏流態(tài)，壓制時磁粉之間及磁粉與模具內(nèi)壁之間潤滑作用充分，使得壓制過程中施加的壓力可以在磁粉中均勻、高效地傳遞，磁粉轉(zhuǎn)動及滑動變得容易，能有效填充磁粉之間的間隙，使磁體的密度及磁性能都得到提升。在保壓過程中發(fā)現(xiàn)，當油壓表保持在一定數(shù)值時(保證壓力為900MPa)，經(jīng)過一定時間后油壓表數(shù)值會變小，這就需要不斷地調(diào)節(jié)油壓以保證壓力值不變，而隨著保壓時間的延長，黏結(jié)劑會和固化劑發(fā)生緩慢的固化反應，時間越長，固化越嚴重，產(chǎn)生的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，所以在調(diào)節(jié)波動的油壓時可能會使已經(jīng)微固化的磁體某些部位產(chǎn)生微裂紋，也有可能是受熱使磁體膨脹，導致磁體體積略增大，密度略降低。在保壓的過程中，磁粉溫度較高，且直接暴露在空氣中，有機會與空氣中的氧發(fā)生氧化反應，時間越長氧化就越嚴重，復合磁體的磁性能越低。

圖6　模具內(nèi)磁粉溫度測試裝置示意圖(a)及溫度隨時間的變化曲線(b)Fig.6　Schematic diagram of the temperature testing device(a),and time dependence of the temperature change of magnetic powder in mould(b)

3　結(jié)論

(1)與普通的模壓成型相比，采用流動溫壓成型的黏結(jié)磁體具有更高的磁體密度及磁性能。且隨著流動溫壓溫度、壓制時間以及保壓壓力的提高，黏結(jié)復合磁體的磁性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2)流動溫壓成型參數(shù)的選擇與黏結(jié)劑有關(guān)，采用酚醛環(huán)氧樹脂BPANE8200為黏結(jié)劑時，流動溫壓成型的最佳工藝參數(shù)：77℃加載900MPa并保壓8min，復合磁體的剩磁Br、內(nèi)稟矯頑力Hcj以及最大磁能積(BH)max均獲得最大值，即Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3。

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Bonded NdFeB/Sr-ferrite Hybrid Magnets by Warm Flow Compaction Process

ZHONG Xi-chun,HU Geng,GUO Xing-jia,LIU Zhong-wu

(School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Bonded NdFeB/Sr-ferrite hybrid magnets were synthesized by using warm flow compaction (WFC) technique, and the influences of WFC parameters on the magnetic properties were investigated. The results show that the magnetic properties firstly increase and then decrease with the increase of temperature, pressure and time. The selection of parameters for WFC process is associated with the selected binder. When the epoxy phenolic resin BPANE8200 is used as binder, the optimum process parameters of WFC are 77℃,with loading of 900MPa, and holding time for 8min. The values of remanenceBr, intrinsic coercive forceHcjand maximum energy product (BH)maxof the hybrid magnets are all obtained the maximum, that is,Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3.

warm flow compaction;bonded hybrid magnet;magnetic property;binder

廣東省教育部產(chǎn)學研結(jié)合項目資助(2010A090200042,2009B090300273)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2014ZZ0005,2012ZZ0013)

2014-07-07;

2015-05-26

鐘喜春(1973-)，男，副教授，從事磁性功能材料及材料表面工程研究，聯(lián)系地址：廣東省廣州市天河區(qū)五山路華南理工大學8號樓213室(510640)，E-mail：xczhong@scut.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.002

TM273

A

1001-4381(2016)04-0009-05