耐热SmFeN(各向异性)粘结磁体(III)

1、耐热SmFeN（各向异性）粘结磁体罗阳 IEEE-TC永磁委员会委员近年来，每届国际磁材会议上，人们总对比烧结与粘结NdFeB磁体的产量，发现两者的发展明显失衡：烧结磁体的产量增长远高于粘结磁体的，原因固然是多方面的，但问题的关键在于供粘结磁体用的MQ粉价格多年来维持高价，而磁体最终价格却每年递减，极大地压缩了磁体厂家的利润空间，严重制约了粘结磁体产量的正常增长。所幸，今天MQ粉已不是高性能粘结磁体的唯一用粉，可供粘结磁体选用的磁粉已多样化：除各向同性粉外，已开发了各向异性的NdFeB磁粉，它们既有由粉演变借热应变感生各向异性而得的，也有通过氢化-歧化-脱氢-再结合（HDDR）反应而得的。此外

2、，还开发了各向同性和各向异性的SmFeN和NdFeN磁粉。为促进粘结磁体产业的进一步发展，拟分别系统地介绍各类新磁粉的性能和用途，本文是系列文章的第三篇，重点介绍日本住友金属矿山公司（SMM）研究开发的各向异性SmFeN磁粉及粘结磁体的制备和用途。1. 引 言日本住友金属矿山公司（SMM）用还原/扩散工艺制备了Sm2Fe17合金粉，经氮化处理而得Sm2Fe17N3磁粉，可供制备粘结磁体，此工艺的特点是可利用廉价的Sm2O3作原料1。用震动样品磁强计(VSM)测量的Sm2Fe17N3磁粉磁性能为：Br = 11 kG，iHc = 11.3 kOe，(BH)MAX = 40.6 MGOe。制备的磁

3、粉粒度极细，显然，其首要问题是热稳定性，为此专门开发了耐热型非饱和酚甲醛系树脂（即简称UP树脂）2，成功地用以制备注塑成型磁体。此外，SMM与MagX合作用挤压成型工艺制备柔性磁体3。所得磁体性能如下：注塑成形磁体(BH)MAX=14.4MGOe，实验室最佳值：(10x7mm)磁体密度=5.14g/cm3，剩磁Br=0.828T，内禀矫顽力OHCJ=0.881T，最大磁能积(BH)MAX=125kJ/m3=15.7MGOe。挤压成形磁体(BH)MAX=68MGOe，最高可达10MGOe2. 粘结剂的选择最近采用非饱和高聚合树脂（polyester resin）通过注塑成型而开发出各向异性Sm-

4、Fe-N耐热粘结磁体。此处将讨论这种磁体的某些特性。磁体成形的自由度很大，而磁性与形状的相关性很小，因为复合材料的粘滞度在模具内迅速降低，从磁性和机械加工的角度看，磁体的使用温度相当高，由于此材料的线膨胀系数和成形后的收缩率很小，因此集成成形后的界面应力或粘附于其它部件上的应力都可以达到很微小的程度，从而可达到很高的尺寸精度。稀土类粘结磁体市场容量的年产值已达到200亿日元，即1.6亿美元，其中绝大多数磁体采用美国MQI公司的各向同性NdFeB磁粉（即MQ粉），用压制成型工艺制备粘结磁体，其最大磁能积为80kJ/m3(10MGOe)。大量用作CD-RON，HDD，DVD中主轴电机用的磁环。但采

5、用压制成型工艺有下列缺点：1） 磁体的形状受限制，而且难于和其它部件一体成型；2） 成形后必须经过固化处理才能定形；3） 工艺过程各个环节均可产生废品，所以要求产品逐个进行检验。住友矿山公司用还原扩散工艺成功生产各向异性SmFeN磁粉（简称SFN），成为上世纪末上市的高性能磁粉。采用多种成型工艺制备粘结磁体以满足多种用途的需求，各种成型工艺与粘结剂的组合列于表1。表1 成型工艺与粘结剂组合的条件成型工艺注塑成型压制成型粘结剂PA12PPS环氧树脂最高成型温度260OC310OC150200OC负荷下温度的偏离磁粉含量90wt%90wt%复杂形状良好良好较差形状自由度非常薄正常较差较差有长又大良

6、好良好较差集成成型可能可能困难回收利用可能可能不可能固化工艺不用不用绝对必需磁体涂层不需要不需要绝对必需各向异性材料的优点良好正常较差从上表可看出，注塑成型工艺是最佳选择，成型磁体形状的自由度大，而且可一体成形，整个制造过程无人工干预，成品一致性高，质量无需逐个检测，生产成本因之大为降低。2.1 尼龙系粘结剂的特征各向异性SFN磁粉采用热可塑性树脂作粘结剂时，其结晶与尼龙系粘结剂的特征示于图1。图中纵坐标是可使用温区的温度(OC)，横坐标是成型体的厚度（mm）。图中大致可分为三个区域。热塑性树脂使用条件综合示于图1。 成形的厚度，mm图1 聚酰胺（尼龙）粘结剂系统表现良好和较差的区域在150O

7、C以下，厚度低于2mm的A区内，晶粒取向极差。当厚度大于30mm时，则处于C区内。温度高于150OC,则属于B区。此三区域的特点分述如下：A区由于粘结磁体厚度2mm，温度30mm，形变温度正好在135oC，热膨胀明显，与其它另件接触时界面应力较大，在此区域内集成的另件由于成形的收缩容易剥落，而正常压制的粘结磁体其热循环及冷却很差。B区此区域内模具温度在150250oC之间，复合材料正好处于135oC热形变温度范围内（JIS K6911 H. D. T.日本标准）。总之，各向同性结晶的热可塑性树脂由于种种限制难于采用，而热形变温度在150oC以上，对成形要求过于苛刻。2.2 粘结剂的选择为充分发

8、挥SFN磁粉磁性的潜力，在图1中A与C区内制备磁体受到的种种限制，为此对各种可用的粘结剂进行了广泛的调查，旨在确认下列要点：l 在较低温度下成形的可能性；l 固化时间尽可靠能短；l 固化后的热形变温度要较高；l 易于进行推广；最终选择了不饱和酚甲醛系树脂（即简称UP树脂）3. 磁体制备工艺3.1 复合物的制备一般的尼龙系复合物和UP树脂系复合物的制造工艺示出如下。尼龙聚合物粘结剂 测定复合物主要成分要素 预混合 揉合(250OC) 烘干 测量与包装 测定复合物主要成分要素 揉合(200OC125140OC200OC180200OC磁粉含量90wt%90wt%90wt%复杂形状良好良好良好较差形

9、状自由度非常薄良好一般较差较差又长又大良好良好良好较差集成成形可能可能可能困难循环使用不可能可能可能不可能固化工艺不用可用无用无用必需磁体涂层不需要不需要不需要必需各向异性材料的优点良好良好一般较差5. 注塑成形前已提及，视所用粘结剂的不同，注塑成型工艺制度将有不同，注塑成型设备本身，特别是模具部分也差别很大，下面就列举用普通PA树脂或用UP树脂成型工艺的差别。相应的工艺制度则列于表6。表6 不同粘结剂的注塑成型工艺参数UP树脂PA树脂挤压腔温度，OC30 50200 230模具温度，OC110 150110成型时间，秒20 18015 60复合材料在模具内的粘滞度低高循环使用困难*可以注*

10、采用冷浇口和回料系统的工艺尚在开发中 110OC 200230OC图10a 采用PA树脂的注塑成形 110OC150OC 3050OC图10b 采用UP树脂的注塑成形采用不同粘结剂制备的磁体磁性列于表7，以对比不同粘结剂效果，所有试样都制成矩形10x10x7mm，Pc=-2。表7 用不同粘结剂注塑的磁体磁性UP（标准）UP（低收缩率）PABr，T0.740.730.73HCJ，kA/m Koe84010.584010.56808.5HK，kA/m Koe4725.94806.03844.8(BH)MAX，kJ/m3 MGOe10212.898.412.49612，g/cm34.794.674.

11、71初始磁通不可逆损耗5%对应的温度，OC151151115SFN用UP树脂注塑成形，而MQP-B用压制成形，两种磁体的Pc=-2,露置于150OC下测磁通损耗，结果示于图11。图11 磁通不可逆损耗的温度相关性新工艺用途的例子活动的电子器件，需要很薄的磁体供微型电机用，要求厚度：0.20.3=200300m表8 制备薄膜磁体的物理沉积技术方法沉积率，m/分参考文献直接磁控溅射0.6压制注塑MQPMQP0.350.3大同电子1温压MQP0.38096(1012)精工-Epson2与丙烯酸橡胶混练轧制各向同性SmFeN0.336(4.5)日立金属3压制与轧制各向异性SFN与Knife1160(2

12、0)松下电器4注：1 http: /www.daido-electronics.jp/english/index.htm2 http:/www.epson.co.jp/osirase/1998/98116.htm3 http:/www.hitachi-metals.co.jp/e/prod/prod03_01_a.html4 The papers of Technical Meeting on Magnetics, IEE Japan MAG-03-178进行试验的样品形状和尺寸：形状 圆柱10x7mm， 矩形10x40x1.5mm表面积：D2/4=78.5mm2 40x10=400mm2体积

13、：7D2/4=549.8mm3 10x40x1.5=600mm3所得结果列于表10。表10a 柱形磁体（10x7mm）的磁性UP树脂PA树脂Br，T0.740.73HCJ，kA/m Koe835.610.5676.48.5HK，kA/m Koe469.55.93824.8(BH)MAX，kJ/m3 MGOe99.712.594.311.85，g/cm34.794.71表10b 扁形磁体（40x10x1.5mm）的磁性UP树脂PA树脂Br，T0.70.64HCJ，kA/m Koe843.510.6692.38.7Hk，kA/mKoe477.56350.14.4(BH)MAX，kJ/m3 MGOe

14、90.311.3572.29.076. 挤压成形MagX公司开发了制备薄带磁体的挤压成形工艺，用此工艺制备了多种类型的薄带磁体。所用树脂类型列于表11，磁粉及粘结磁体的特性列于表12，各类粘结磁体的特性列于表13。表11 粘结磁体的分类，特点，特征分类树脂类型常用2脂柔性型有机树脂硫化处理NBR，EPOM热可塑型CPE，PVC，EVA硬质型有机树脂热可塑型PP，PA(-6-12)，PPS，PBT，LCP热硬化型环氧树脂，酚醛树脂表12 磁粉及粘结磁体的特性磁粉各向同性各向异性钡铁氧体0.20.7 MGOe(1.65.6 kJ/m3)0.72.0 MGOe(5.615.9 kJ/m3)锶铁氧体0

15、.20.7 MGOe(1.65.6 kJ/m3)0.82.3 MGOe(6.418.3 kJ/m3)Sm-Co系列2.07.0 MGOe(15.955.7 kJ/m3)7.018.0 MGOe(55.7143.3 kJ/m3)Nd-Fe-B系列4.010.0 MGOe(31.879.6 kJ/m3)10.018.0 MGOe(79.6143.3 kJ/m3)SmFeN3.04.0 MGOe(24.032.0 kJ/m3)1215 MGOe(95.5119.3 kJ/m3)表13 各类粘结磁体的特性磁粉优点缺点铁氧体粉廉价，不怕氧化(环境稳定性好)，易于磁化和退磁温度稳定性差，易于高温退磁Sm-

16、Co系磁性能高，温度系数低易于氧化，充磁困难，价格高昂NdFeB系磁性能高，温度系数中等耐锈蚀性差，磁通不可逆损耗大，价格高SmFeN系磁性能高，温度系数低，柔性和注塑各向异性磁体均有高性能易于氧化，充磁困难，磁通不可逆损耗大，价格高挤压成形的粘结磁体退磁曲线示于图12。图12 柔性SmFeN粘结磁体的退磁曲线6.1 粘结磁体的应用 此类粘结磁体可用于：l 微型电机 磁辊（复印机）l 风扇电机 传感器l 微型振动电机 其它工业元件6.2 SmFeN的开发历史l 1983日立金属申请专利RfeN 1988旭化成工业申请SmFeN专利l 1990爱尔兰三角学院J. M. D. Coey发表SmFe

17、N论文l 1998住友金属矿山（株）与MagX公司签约共同开发SmFeN制品SmFeN磁粉生产工艺流程 Sm2O3，Fe，Ca混合还原/扩散 （SmFe合金粉） SMM氮化处理（SmFeN合金粉） 细粉碎(2m)表面处理树脂混练 MagX（复合粒料）磁场取向挤出（各向异性SmFeN柔性粘结磁体） 表14 用VSM测量的磁粉特性与平均粒度的相关性平均粒度，mJ15，TBr，TIHC，(kA/m)/kOe(BH)MAX，(kJ/m3)/MGOe1.851.381.31(6.05)/7.6(197)/24.71.681.361.29(6.69)/8.4(209)/26.31.651.341.26(6

18、.77)/8.5(211)/26.51.581.331.25(7.72)/9.7(220)/27.6注：平均粒度用F. S. S. S测定表15 新开发的SmFeN柔性磁体室温磁性(21OC)最大磁能积(BH)MAX，kJ/m3 MGOe102.912.9剩磁Br，T kG0.7537.53矫顽力IHC，kA/m kOe7339.21表16 SmFeN柔性粘结磁体不同温度下的磁性测量温度，OC-402180100Br，T KG0.7647.640.7537.530.7307.30.7257.25bHC，kA/m kOe5116.44786.04146.03874.9IHC，kA/m KOe100612.97339