流动温压成型黏结钕铁硼/锶铁氧体复合磁体的研究

钟喜春，胡　庚，郭兴家，刘仲武

(华南理工大学 材料科学与工程学院，广州 510640)



流动温压成型黏结钕铁硼/锶铁氧体复合磁体的研究

钟喜春，胡庚，郭兴家，刘仲武

(华南理工大学 材料科学与工程学院，广州 510640)

采用流动温压成型工艺制备黏结钕铁硼/锶铁氧体复合磁体，研究温压工艺参数对钕铁硼/锶铁氧体复合磁体磁性能的影响。结果表明：随着温压温度、压制时间以及保压压力的提高，黏结复合磁体的磁性能呈现先增大后减小的趋势。流动温压成型参数的选择与黏结剂有关，采用酚醛环氧树脂BPANE8200为黏结剂时，流动温压成型的最佳工艺参数：77℃加载900MPa并保压8min，复合磁体的剩磁Br、内禀矫顽力Hcj以及最大磁能积(BH)max均获得最大值，即Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3。

流动温压成型；黏结复合磁体；磁性能；黏结剂

黏结磁体由于具有易成型复杂形状零件、磁性能均一性好等优点，在诸多领域有着广泛的应用[1-5]。目前黏结磁体的成型方法主要有压缩成型、注射成型、挤压成型和压延成型，其中前两者成型法应用最广[6-8]。压缩成型法具有黏结剂用量少(仅为磁体体积的10%～20%)、磁粉所占比例大、成型后磁体致密度高、磁体磁性能好等优点，但它仅适用于成型简单形状的磁体。注射成型法中黏结剂加入量大(为磁体体积的20%～30%)，黏结剂受热熔融后具有很好的流动性，易于成型复杂形状的磁体，但磁体磁性能稍差。2001年，德国IFAM研究所首次提出流动温压成型的概念[9]，该技术是在一定温度范围内加热包覆有黏结剂的粉末，使黏结剂受热变成黏流态，然后进行压缩成型。黏流态的黏结剂有利于粉末填充能力和成型性的提高，因此它既具有压缩成型高密度的特点，又能像注射成型一样成型复杂形状的零件，是一项极具潜力的新技术[10-15]。刘云鹤等[16,17]将流动温压成型用于黏结磁体领域，取得了较好的结果，但此方面的系统研究偏少。本工作采用流动温压成型工艺制备钕铁硼/锶铁氧体复合磁体，并与普通模压工艺成型磁体进行磁性能对比。同时研究流动温压成型工艺参数(温压温度、压制压力、保压时间)对成型磁体性能的影响，以期为黏结复合磁体的生产提供指导。

1　实验材料及方法

1.1磁体制备

选用HDDR-NdFeB磁粉(无锡诺德有限公司)和锶铁氧体(梅州磁性材料有限公司)为原料，磁粉的磁性能如表1所示。将研磨并筛分出粒度在45μm以下的钕铁硼磁粉与锶铁氧体磁粉混合，两者的质量比为9∶1，经1.0%(质量分数，下同)的KH-550偶联剂处理后，加入3.0%酚醛环氧树脂BPANE8200黏结剂(软化点温度为66.8℃)及适量固化剂(顺丁烯二酸酐)，混合并干燥后采用流动温压法进行磁体的成型，成型后的坯体在氩气保护氛围下的管式炉中固化(180℃/120min)，后随炉冷却至室温。

表1　磁粉的磁性能

1.2磁体组织表征与性能测试

固化后的磁体密度采用排水法测量；通过Quanta 200扫描电子显微镜观察磁体断口形貌；利用综合物理性能测试系统(PPMS)配套的振动样品磁强计(VSM)组件测量磁体的磁性能。

2　结果与讨论

2.1温压温度对黏结磁体磁性能及密度的影响

图1为900MPa压力下保压8min，温压温度与黏结复合磁体磁性能及密度D的关系曲线。可以看出，采用流动温压法与普通模压法(即25℃时的常温压制)相比，其成型的黏结复合磁体磁性能及密度普遍更高。原因是普通模压法是在常温条件下压制，此时黏结剂为固态，压制时磁粉不易滑动及转动，压制压力不能均匀高效地在磁粉间传递，磁粉不易被压实，且由于压制压力传递不均匀，导致部分磁粉破碎严重，从而造成磁体的密度及磁性能差。当采用流动温压成型时，黏结剂受热软化或成黏流态，使磁粉流动性改善，黏流态的润滑剂有利于减少磁粉之间以及磁粉与模具内壁之间的摩擦力，磁粉的滑动与转动也更容易，压制压力可以均匀高效地在磁粉之间传递，磁粉的破碎情况得到改善，所以采用流动温压成型的磁体密度及磁性能更好。

图1　不同温压温度对黏结复合磁体磁性能和密度的影响Fig.1　Effect of different warm compaction temperatures on magnetic properties and density of bonded hybrid magnets

采用流动温压法成型磁体时，随着温压温度的升高，磁体的密度及磁性能呈现先增加后减小的趋势：在77℃时，磁体的剩磁Br、内禀矫顽力Hcj以及最大磁能积(BH)max获得了最大值，即Br=522mT，Hcj=740.48kA/m，(BH)max=39.82kJ/m3。随着温度的上升，复合磁体的密度及磁性能逐渐减小。这是因为，所用的黏结剂BPANE8200软化点为66.8℃，从67～77℃随着温度的升高，黏结剂从软化态变为黏流态，压制时磁粉的流动性变好，磁体更易被压实，所以磁体的密度及磁性能上升。图2为不同温压温度制备的黏结复合磁体断口形貌。由图2(a)，(b)可知，77℃压制的磁体断口上孔隙较67℃时少，磁粉的破碎情况也较轻，有利于获得高密度、高磁性能的磁体。但加热温度超过77℃后，磁体的性能反而会降低。这是因为随着温压温度的上升，在空气中压制的磁粉氧化将逐渐变得严重，使硬磁相NdFeB受损。而且在温压加热过程中，磁粉中混合的固化剂顺丁烯二酸酐会和黏结剂发生交联反应，呈现凝胶态，对磁粉颗粒的转动及滑动有一定的牵制作用，使磁粉对孔隙的填充变得困难。如果温度过高，黏结剂还会由于固化反应产生三维网状大分子结构，这种大分子分布在黏结剂中，会严重阻碍压制时磁粉的滑动和转动，而且由于压力传递不均匀，使局部磁粉受力过大造成磁粉破碎。如图2(c)，(d)所示，87℃及97℃压制的磁体比77℃压制的磁体孔隙更大，磁粉破碎也更严重，这些都不利于磁体密度及磁性能的提高，所以过高的温压温度反而会造成磁体密度及磁性能的下降。

图2　不同温压温度制备的黏结复合磁体断口形貌　(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℃

图3　不同压制压力对黏结复合磁体磁性能和密度的影响Fig.3　Effect of different compaction pressures on magnetic properties and density of the bonded hybrid magnets

2.2压制压力对黏结磁体磁性能及密度的影响

图3为77℃保压8min条件下，不同压制压力对黏结复合磁体的密度及磁性能影响曲线。可以看出，磁体密度D随着压制压力的增大而增大，并没有出现拐点。压力从500MPa增加到900MPa过程中磁体密度上升较快，但当压力超过900MPa之后磁体的密度随压力的增大略有增加。这是由于随着压制压力的增大，一方面磁粉在压力作用下发生滑动和转动，有效填充磁粉颗粒之间的间隙。另一方面，压力的增大可以使磁粉颗粒发生变形，“拱桥效应”被破坏，这些都有利于磁体的致密化，使磁体密度较快增加。但当磁体密度达到一定值后，继续增加压制压力将导致鳞片状的HDDR-NdFeB磁粉发生变形及断裂，破碎的片状磁粉可以填入部分剩余间隙，故磁体的密度随着压制压力的增大而略有增加。剩磁Br随着压制压力的增加而增大，当压力为900MPa时达到最大值，即Br=522mT，后随着压力的增大而减小。这是因为在其他条件相同的情况下，黏结磁体的密度越高，剩磁Br越大[6]，压力从500MPa提高到900MPa时，磁体密度提高，磁体的剩磁Br也随之增大。但当压力过大时，磁粉破碎情况严重，断裂形成的新鲜断口处由于没有偶联剂及黏结剂的保护，在77℃压制时，磁粉表面尤其是新鲜断口处有机会与空气中的氧气发生氧化反应，造成磁体的剩磁Br在增加到最大值后随着压制压力的增大反而略有降低。内禀矫顽力Hcj在700MPa时达到了最大值，然后随着压制压力的增加而降低。这是因为随着压制压力的增大，粉末颗粒间隙减小，从而减少了反向形核的位置，有利于矫顽力的增加。图4为不同压制压力制备的黏结复合磁体断口形貌。可知，当压制压力逐渐增大时，磁粉破碎也逐渐加剧(图4(b))，甚至有些磁粉直接被压溃(如图4(b)中箭头所示位置)，严重损伤了磁粉的磁畴结构，断裂处易成为反磁化畴核的形成中心，使磁体退磁场增加，从而导致矫顽力降低。最大磁能积(BH)max由于要受到剩磁及矫顽力的影响，所以总体也呈现先增大后减小的趋势，并在900MPa时获得了最大值，即(BH)max=39.82kJ/m3。

图4　不同压制压力制备的黏结复合磁体断口形貌　(a)500MPa；(b)1500MPaFig.4　Fracture surface morphologies of the bonded hybrid magnets with different compaction pressures　(a)500MPa；(b)1500MPa

图5　不同保压时间对黏结复合磁体磁性能和密度的影响Fig.5　Effect of different compaction time on magnetic properties and density of the bonded hybrid magnets

2.3保压时间对黏结磁体磁性能及密度的影响

压制成型的磁体如果不经过保压直接进行脱模会造成型后的磁体残余应力较大，弹性后效的叠加会导致磁体变形，从而使脱模后的磁体易产生裂纹甚至开裂，影响到磁体的最终使用性能。图5为77℃、900MPa下，不同保压时间对黏结复合磁体的密度及磁性能影响曲线。可见，黏结磁体的密度及磁性能随着保压时间的延长而逐渐增大，在8min时获得了最大值，但是当保压时间超过8min后又呈下降趋势。出现这种现象的原因是：磁粉混合物料由于表面包覆有一层导热性较差的黏结剂，当模具温度加热到77℃时，此时磁粉(尤其是远离模具壁的磁粉)的温度远低于77℃。为了解模具中心磁粉的温度变化情况，如图6(a)测试装置所示，首先将模具温度加热至77℃，然后快速向模具中填充磁粉混合物料并压紧，在模具的磁粉内部中心位置插入一根水银温度计用来记录磁粉的温度随时间的变化情况，具体结果如图6(b)所示。从图6(b)可以看出，经过4min加热后，磁粉内部的温度只有70℃，仅略高于黏结剂的软化温度(66.8℃)。此时混合物料未完全形成黏流态，磁粉之间以及磁粉与模具内壁之间的润滑性差，摩擦力大，在压制过程中不利于磁粉的滑动和转动，磁粉之间的间隙不能得到有效填充，所以磁体的密度及磁性能较低。随着保压时间的增加，混合物料整体被加热到77℃，此时磁粉表面的黏结剂变成了黏流态，压制时磁粉之间及磁粉与模具内壁之间润滑作用充分，使得压制过程中施加的压力可以在磁粉中均匀、高效地传递，磁粉转动及滑动变得容易，能有效填充磁粉之间的间隙，使磁体的密度及磁性能都得到提升。在保压过程中发现，当油压表保持在一定数值时(保证压力为900MPa)，经过一定时间后油压表数值会变小，这就需要不断地调节油压以保证压力值不变，而随着保压时间的延长，黏结剂会和固化剂发生缓慢的固化反应，时间越长，固化越严重，产生的三维网状结构越多，所以在调节波动的油压时可能会使已经微固化的磁体某些部位产生微裂纹，也有可能是受热使磁体膨胀，导致磁体体积略增大，密度略降低。在保压的过程中，磁粉温度较高，且直接暴露在空气中，有机会与空气中的氧发生氧化反应，时间越长氧化就越严重，复合磁体的磁性能越低。

图6　模具内磁粉温度测试装置示意图(a)及温度随时间的变化曲线(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　结论

(1)与普通的模压成型相比，采用流动温压成型的黏结磁体具有更高的磁体密度及磁性能。且随着流动温压温度、压制时间以及保压压力的提高，黏结复合磁体的磁性能均呈现先增大后减小的趋势。

(2)流动温压成型参数的选择与黏结剂有关，采用酚醛环氧树脂BPANE8200为黏结剂时，流动温压成型的最佳工艺参数：77℃加载900MPa并保压8min，复合磁体的剩磁Br、内禀矫顽力Hcj以及最大磁能积(BH)max均获得最大值，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

广东省教育部产学研结合项目资助(2010A090200042,2009B090300273)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014ZZ0005,2012ZZ0013)

2014-07-07;

2015-05-26

钟喜春(1973-)，男，副教授，从事磁性功能材料及材料表面工程研究，联系地址：广东省广州市天河区五山路华南理工大学8号楼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