耐热SmFeN(各向异性)粘结磁体(III)

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ＭＱ粉外，已开发了各向异性的NdFeB磁粉，它们既有由ＭＱ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，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：(φ10x7mm)磁体密度ρ=5.14g/cm3，剩磁Br=0.828T，内禀矫顽力μO H CJ=0.881T，最大磁能积(BH)MAX=125kJ/m3=15.7MGOe。

挤压成形磁体(BH)MAX=6~8MGOe，最高可达10MGOe

2. 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-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。

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(O C)，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 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150O C,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<135o C因此在金属模内的冷却时间短，显然晶体取向度差。

C区—由于磁体厚度>30mm，形变温度正好在135o C，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150~250o C之间，复合材料正好处于135o C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150o C 以上，对成形要求过于苛刻。

2.2 粘结剂的选择

为充分发挥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：

在较低温度下成形的可能性；

●固化时间尽可靠能短；

●固化后的热形变温度要较高；

●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。

热变形很低

复合材料的制造工艺

尼龙作粘结剂，其揉合温度偏高，往往引起磁粉的氧化，特别是SFN磁粉由于粒度细，故难于用尼龙系作粘结剂，而必需另选其它混炼温度极低的粘结剂。

3.2 注塑成形

由于采用不同的粘结剂，则注塑成形的工艺条件也各不相同，甚至注塑机的构造也有不同，两种不同系统粘结剂注塑成形的条件对比列于表2。

4. 成品

采用UP树脂，而反应硬化型的反应速度快，形成时间短，更有利的非饱和还原树脂与昭和化工联合开发，制备了专门的树脂，在常温下能保持30天。

此次对热硬化型树脂的粘结剂组成物分别采用广泛使用的A（标准型），B（低收缩率的）以及过去用的聚合尼龙系（Polyamide）做成不同尺寸、形状的粘结磁体，对它们的各种特性进行对比，

4.1 磁性与形状的相关性

过去的尼龙系复合物注塑成形磁体，若其表面积/体积比增大，则取向度下降，难于得到高的磁性，磁体形状与磁性的相关性列于表3。