工藝及配方對粘結(jié)鐵氧體永磁體的力學(xué)性能影響

劉 娜，熊 君 ，全小康，李亞峰 ，王 倩，李炳山

（1.國家磁性材料工程技術(shù)研究中心，北京 102600；2.北礦磁材（阜陽）有限公司，安徽 阜陽 236000；3.北京礦業(yè)研究總院，北京 102628）

粘結(jié)磁器件的一般生產(chǎn)方式是，主要原料注射用鐵氧體磁粉，按工藝配方，加入粘結(jié)劑和添加劑，強混機內(nèi)均勻混合，通過注射成型機將混合物在一定溫度下注入磁器件模具的模腔中，保持一定時間的壓力，依據(jù)模具的形狀和尺寸，經(jīng)冷卻定型出模成為磁性材料制品。注射成型粘結(jié)磁體與燒結(jié)永磁體相比較，具有一次注塑成型、易制多極、生產(chǎn)組裝成本低的特，磁體體積小、精度高，產(chǎn)品性能一致性和可靠性好等優(yōu)點，非常適宜制作微特電機用的多極塑磁轉(zhuǎn)子和打印機復(fù)印機用的磁輥磁棒，變頻家電、辦公設(shè)備最常用，目前在高端汽車領(lǐng)域也有應(yīng)用。

隨著市場精細(xì)使用的劃分，客戶對磁性材料制品的要求也越來越明顯，并對制品提出越來越精細(xì)的要求。本文從注射成型器件的配方入手，改變不同添加劑或改變添加劑的含量，得到不同的磁器件，對磁器件的力學(xué)性能對比研究，探索制備高磁性能、高力學(xué)特性的注射成型磁體的規(guī)律，以滿足目前市場不同需求[1]。

1 實驗

實驗過程，原材料北礦磁材批號3D-190412-21的BMXF-3D鍶鐵氧體磁粉，用1%硅烷偶聯(lián)劑對磁粉表面處理，添加劑尼龍6烘干處理，按工藝配出潤滑劑等助劑，將原料、添加劑和助劑混合均勻，磁粉總占比列改變，逐步增加磁粉含量，從84%增加到92%，得到制備磁體的原料。制作磁體的設(shè)備使用SJSH-40雙螺桿擠出機加熱混煉機，工藝參數(shù)擠出溫度設(shè)定為230℃～240℃之間，擠出機出料口溫度設(shè)定為210℃～225℃之間，電機設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)定為：進料轉(zhuǎn)速9.0r/min～10.0r/min，進料電流1.5A～2.5A，主機轉(zhuǎn)速130r/min～140r/min，主機電流16.0A～21.0A。擠出成條狀后冷卻切粒，得到制備磁體的磁性顆粒料原料。壓制成型設(shè)備使用日本制鋼全自動JSW注射機，進行磁場取向成型，注射加熱溫度設(shè)定為280℃～295℃，保壓壓力設(shè)定為40MPa～50MPa，壓制得到圓柱型注射成型粘結(jié)磁體，磁體尺寸18mm×18mm，在打印機辦公設(shè)備常用到這種磁體。經(jīng)過檢測得到注射磁體的性能：剩磁是0.288T、b矯頑力198kA/m、內(nèi)稟矯頑力239kA/m、最大磁能極16.1kJ/m3。注射顆粒料熔融指數(shù)是針對半成品磁性顆粒料測試，用MFR表示，此指標(biāo)表示塑膠材料加工時的流動性的數(shù)值，按照ASTM D1238-98標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其MFR值與塑膠材料的加工流動性越成正比，值越大流動性越好，反之則越差。

測試設(shè)備，電子萬能試驗機，設(shè)備生產(chǎn)商承德大華試驗機有限公司，型號XWW-20KN，按照GB/T1040標(biāo)準(zhǔn)要求，進行塑磁器件的拉伸強度與彎曲強度檢測，該設(shè)備可以動態(tài)監(jiān)測壓縮和拉伸過程中的力值、位移、變形、收縮率等參數(shù)。懸臂梁沖擊試驗機，設(shè)備生產(chǎn)商承德精密試驗機有限公司，型號XC-22D，按照GB/T1843標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測材料沖擊韌性。測磁儀，設(shè)備生產(chǎn)商中國計量科學(xué)院的DMT-1測磁儀，測量樣品的磁性能，其磁通計最大量程為20mWb，磁強計最大量程為3.0T。熔融指數(shù)儀，設(shè)備生產(chǎn)商日本東洋精機生產(chǎn)的F-F01型，進行流動性檢測，溫度270℃，10公斤載荷，測試注射顆粒料原料熔融指數(shù)MFR。磁體的密度用排水法測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 含磁粉含量對粘結(jié)磁器件磁性能和力學(xué)性能的影響

在生產(chǎn)過程中，選用同等優(yōu)質(zhì)性能的磁粉，可以保證注射成型磁體的一致性，為達(dá)到提高磁體性能的要求，最直接的方法就是增加磁粉含量，提高磁體密度。磁體的最大磁通密度Bm、剩磁Br和磁能積(BH)max與磁粉含量和磁體的密度呈正比。但是磁粉含量提高后，引起磁粉之間的摩擦增大，磁體的Hcj會降低，在磁粉含量大于89%以上時Hcj降低尤為明顯。實驗選用同一牌號的鍶鐵氧體磁粉，工藝配方保持不變，改變磁粉含量，逐步提高，對比考察由于磁粉含量的變化，而對磁體磁性能的變化影響，測試結(jié)果如表1所示。

表1 磁體磁性能與磁粉含量對比

逐步提高磁粉含量，檢測磁體的性能，磁體力學(xué)強度值逐步下降，最大力值、峰值變形、位移、壓縮強度和收縮率數(shù)值也都有下降趨勢。增韌改性劑的添加，首先考慮的是添加劑與磁粉、尼龍基體的相容性問題，在融合過程中，會伴隨發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)度的大小會不同程度的影響聚合體的性能，主要表現(xiàn)在沖擊韌性、流動性及材料的表觀性能等方面。對粘結(jié)磁體樣品進行機械強度檢測，檢測設(shè)備使用萬能試驗機，得到結(jié)果如表2所示。目前注射磁體最高含粉量在92%左右。如果希望再進一步從提高磁粉含量的角度來提高磁體性能，跟磁粉特性和主要添加劑性能有關(guān)，需要從改善磁粉本征特性以及尼龍改性等方面入手[2]。

表2 磁體彎曲強度測試與磁粉含量對比

2.2 添加含硅補強劑對磁體力學(xué)性能的影響

不同的含硅補強劑對注射成型塑磁材料產(chǎn)生的效果差別很大。白炭黑、玻纖粉還有玻纖(GF)，都能有效提高塑磁材料的拉伸強度和彎曲強度，從數(shù)據(jù)上看，采用玻纖(GF)的效果更好。這與玻纖本身的材性能有關(guān)，玻纖是耐高溫高強度材料，可以大大提高尼龍共聚物的耐熱性能和基體強度。采用玻纖增強尼龍，限制了尼龍高分子鏈間的相互移動，在其中起到骨架支撐作用，以便使注塑基體承受的載荷能轉(zhuǎn)移到高強度玻纖上來。復(fù)合材料任一截面上有玻纖承載，無論這些玻纖是被拔出還是拉斷，都需要對其施加更大的載荷，同時，注塑材料的變形受到更大的約束，變形量和收縮率減小，剛性強度和彈性模量得到顯著提高。結(jié)果如表3所示。相應(yīng)地，玻纖過度添加，會引起流動性下降、韌性不足、表面粗糙有毛刺等缺陷。由于塑磁材料的剛性強度（拉伸強度、彎曲強度）與沖擊韌性通常是相對矛盾、此消彼長的關(guān)系，因此，綜合考慮需求的不同，調(diào)整配方，滿足使用要求。

表3 力學(xué)性能測試與補強劑對比

2.3 增塑改性劑對磁體力學(xué)性能的影響

對于粘結(jié)磁體的加工性和可塑性要求，流動性是關(guān)注的關(guān)鍵性能。增塑改性劑的適當(dāng)添加可以有效改善原料的流動性。添加增韌改性劑，需要注意增韌劑與磁粉、尼龍基體的相容性問題。同時在添加增韌劑反應(yīng)過程中，會伴隨發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，對聚合體的性能有一定的影響。主要表現(xiàn)在沖擊韌性、流動性及材料的表觀性能等方面。塑化劑，也加增塑劑，是一種高分子材料助劑，也是環(huán)境雌激素中的酞酸酯類(PAEs phthalates)，其種類和用途繁多，最常見的品種是DEHP(商業(yè)名稱DOP)。DEHP化學(xué)名鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯，是一種無色、無味液體，注射加工行業(yè)應(yīng)用廣泛。由于種類較多，在使用時需要甄選適用的種類，準(zhǔn)確地選擇和復(fù)合搭配使用，有利于新品種的研發(fā)。

表4 力學(xué)性能與增韌劑的比較

通常認(rèn)為，將增塑劑加入到高聚合物中后，因增塑劑削弱了高分子之間的相互作用力，會導(dǎo)致材料的斷裂強度下降，增塑劑加入的量越大，材料的斷裂強度就越低，同時材料的屈服強度也會降低，從而提高材料的韌性。同時，增韌劑聚合物分子量越大，大分子鏈間作用力和纏結(jié)程度越大，其制品抗應(yīng)力開裂能力較強；聚合物分子量分布越寬，其中低分子量聚合物含量越大，容易造成微觀撕裂，出現(xiàn)應(yīng)力集中而使制品開裂。所以應(yīng)選取分子量大、分子量分布窄的樹脂[3,4]。

3 結(jié)論

（1）提高磁體性能的要求，最直接的方法就是增加磁粉含量，提高磁體密度。磁體的最大磁通密度Bm、剩磁Br和磁能積(BH)max與磁粉含量和磁體的密度呈正比。提高含粉量使得磁體密度變大，磁性能呈顯著上升趨勢。但是磁粉之間的摩擦機會增大導(dǎo)致Hcj和彎曲強度呈下降趨勢，檢測所表現(xiàn)的最大力值、峰值變形、位移、壓縮強度和收縮率都呈顯著下降趨勢。在高含粉量≥89%時表現(xiàn)尤為明顯。但是磁粉含量提高后，引起磁粉之間的摩擦增大，磁體的Hcj會降低, 在磁粉含量大于89%以上時Hcj降低尤為明顯。

（2）采用玻纖(GF)比采用白炭黑或玻纖粉對于增強尼龍?zhí)岣卟牧系睦鞆姸群蛷澢鷱姸刃Ч谩?/p>

（3）增塑改性劑添加到尼龍高分子聚合物中，可以改善尼龍加工性能，增加聚合物的塑性，使制品具有柔韌性和抗沖擊。

（4）通過工藝配方調(diào)整可以改善塑磁材料的磁性能和力學(xué)性能，制備不同性能、不同形狀的注射成型粘結(jié)磁體，從技術(shù)要求的角度滿足使用需求。

客戶使用現(xiàn)狀，不單對粘結(jié)磁體的磁性能有要求，對磁體的力學(xué)性能要求的關(guān)注度也有所提高。不同的添加劑和添加劑的含量不同，都對粘結(jié)磁體的力學(xué)性能有影響。在實際生產(chǎn)過程中，不僅要關(guān)注主要原料的性能，添加劑的性能也需要注意。