永磁材料是發現和使用*早的一類磁性材料,也是目前種類繁多、進展迅速和應用廣泛的磁性材料.已經成為與半導體等并駕齊驅的4大基礎功能材料之一。目前工業化生產的永磁材料主要有鋁鎳鉆(AlNiCo)、鐵氧體(Ferrite)、釤鈷(SmCo)和釹鐵硼(NbFeB)等4類。傳統永磁材料的共同缺點是易損、易碎、為滿足尺寸和外觀的要求需要進行后加工時難于制成復雜的形狀等。粘結永磁體正是為克服這些缺點應運而生的。
粘結永磁與傳統燒結永磁相比,具有諸如批量生產性好、產品尺寸精度高、易成型復雜形狀磁體、機械強度高、密度低、可一體化成型、可制成各向異性磁體以及可以再生利用等一系列的優點,因此獲得了廣泛的應用粘接磁體是指用永磁粉末混入一定比例的粘接劑,按一定的工藝而制成的一種磁體,因永磁粉末種類、粘接劑種類、成形方法、*終磁體的性質不同而異 按其生產工藝可以分為4類:壓縮成型(compression)、注射成型(injection molding)、擠壓成型(extrusion)、壓延成型(calendering),其中的注射成型是指將加熱的混煉料強制通過螺桿注入模腔固化成型。由于可以制作形狀復雜的產品及組件,且產品尺寸精度高,因此在國外將注射成型稱為近終形成型(near net shape)。
研究表明 ,粘接劑、磁粉含量、磁場注塑機和模具結構在磁體注塑中起著關鍵的作用。
1 粘接劑
塑料磁體的尺寸、形狀、強度、耐腐蝕性以及成型時所需的流動性等主要是由粘接劑提供的。因此,對粘接劑的研究和開發十分關鍵。根據粘接劑在注塑磁體中的作用以及磁體生產工藝和磁體的使用要求.選擇粘接劑時應該考慮的因素有:
(1)良好的流動性;
(2)良好的耐熱性、耐候性、阻燃性、抗老化性等物理化學性能;
(3)小的收縮率,以便保證磁體的尺寸精度;
(4)在滿足 :藝和使用性能的前提下盡量小的粘接劑用量,以保證較高的磁性能;
(5)通過加入增塑劑、增強劑和耦聯劑等來滿足磁體的機械性能
目前,磁體粘接劑一般選用多種組分配制而成的高分子合成粘接劑,其組成主要包括基料、助劑(耦聯劑、增塑劑、增韌劑、穩定劑、抗老化劑、阻燃劑等)。除了基料和耦聯劑是必須的成分外,其他成分視工藝和性能要求決定。
1.1 基料
目前粘接磁體所用的粘接劑基料主要是熱塑性樹脂,因為它具有流動性好、注塑工藝好控制、再生容易等優點。這類高分子材料主要有:聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)等;
在以上高分子材料中,聚酰胺用得*多 由于聚酰胺樹脂的吸水性強,可以選用反應注射成型(RIM)聚酰胺 。另外,為了適應諸如汽車發動機室等高溫使用場合,可以采用芳香族聚酰胺(即分子鏈中含有苯環的),如HT—PA(1),HT—PA(2)的熱變形溫度分別為225 c和2l5℃ ,且抗壓強度和抗沖擊強度優越:新型PPS樹脂具有直鏈狀高分子特有的粘性、牢固的特性,熱變形溫度可達260℃ 以上,吸水率比聚酰胺類粘接劑要小。
1.2 助 劑
由于磁粉是無機物,而粘接劑是有機物,因此必須借助耦聯劑將二者緊密結合起來。耦聯劑同時還可以提高混和物的磁性能、流動性、粘接強度、耐熱性和耐水性等。目前在磁體注塑成形中所用的耦聯劑主要是有機硅烷耦聯劑,如KH550。增塑劑可以改善粘接劑的流動性、可成形性和尺寸穩定性等,常用的有*醇和酚類。為了改善磁體的抗沖擊性,常添加一些諸如苯二甲酸酯類的高沸點有機化合物作為增韌劑。為了提高粘接劑的穩定性,常使用抗氧化劑、熱穩定劑、光穩定劑。另外,可加入滑石粉、二硫化鉬等潤滑劑來改善粘接劑的成形性,減少摩擦。
今后,塑料磁體粘接劑的開發應主要集中在以下4個方面:
(1)開發具有更好耐熱性的粘接利,以適應快速發展的汽車產業;
(2)開發粘性更好、流動性更強的粘接劑,以提高注塑磁體*大磁能積;
(3)研究如何提高磁體與粘接劑相容性的工藝技術;
(4)研究如何改善磁粉與粘接劑的結合力問題。
2 磁粉含量
隨著磁粉含量的增加,所得塑料磁體的剩余磁通密度、*大磁能積和矯頑力都會提高。但是,磁粉含量的增加會使得熔體的流動性下降,不利于成型加工,而且磁體的抗彎強度也會下降。因此,應該綜合考慮磁性能、加工性能和產品機械性能的影響,通過實驗來確定*佳的磁粉含量。比如,據研究,當磁粉含量在91%(質量分數)時,NbFeB的上述綜合性能*好 。
3 磁場注塑機
磁場注射成型機是制造塑料粘接磁體的關鍵設備。塑料粘接磁體和普通熱塑性塑料成型時的根本區別在于:前者含有大量的磁性粉末,會引起各接觸部件的嚴重磨損。混煉料流動性較差,用普通注射機難以注射成型。磁場注塑機主要有料筒、螺桿、噴嘴、充磁線圈、線圈電源、驅動裝置和溫控系統等部分組成。設計和制造磁場注塑機主要應考慮以下幾個關鍵問題:
(1)應能保證盡可能高的注射壓力,這是順利注射成形高磁性能磁體的重要條件。 且要保證足夠的公稱注射量,以提高產量。
(2)料筒、螺桿和噴嘴應采用耐熱、耐磨損、耐腐蝕性材料制造。比如:螺桿材料可以選擇38CrMoAIA,并作滲氮處理;料筒可以選擇耐熱、耐磨、耐腐蝕的鎳基合金或含鈦模具鋼制作,內表面作硬化處理。螺桿設計時不應設置逆流止流環,考慮到它所受的扭矩很大,設計時應使螺桿具有足夠的強度一螺桿的驅動宜采用驅動力大而穩定的液壓馬達。
(3)線圈設計時要保證其達到足夠的磁場強度,一般磁動勢至少要達到6 000安匝以上。注射機拉桿間距設計時應考慮磁場線圈的拆卸方便。
日本是粘結磁體專用注射成型機的主要制造國。目前,在開發這方面的成套設備方面,我國的投入還不夠,而且力量比較分散。
4 模具
塑料磁體注射模具在澆注系統、冷卻系統、排氣系統和脫模系統等方面與一般的塑料注射模具并無大的差別,區別在于它需要將物質的磁性*大限度地表現出來,所以需要對模具進行磁場取向設計。
就其結構形式而言,模具分為兩板模和三板模:前者結構簡單,適合側澆口結構,產品勾同性或軸向取向要求。后者比較復雜,適合點澆口結構,產品為徑向取向或多極徑向取向要求。
注射塑料磁體時,由于被注射材料的流動性差,因此它在流動和出模時的摩擦力大,控溫范圍窄,這些都對模具材料的選擇提出了特殊要求:要求成形模具鋼具有比較高的硬度、強度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性,而且需合理地采用熱處理工藝。更重要的是,為了在注射成型時施加磁場取向,取向磁場在模具中形成的磁路必須產生特定的取向要求 常用的取向方式有軸向取向、徑向取向和徑向多極取向。軸向取向和徑向取向采用外部電流磁場提供磁路,前者只允許磁力線軸向穿過軸線方向,因此與制品徑向接觸的部位都要采用非磁性材料;而后者只有與制品徑向接觸的部位采用強磁性材料。多極徑向取向則是采用永磁體形成磁路,這時需要將尺寸合理的強磁體沿型腔周邊合理分布,以形成多個均勻分布的磁場,因此,這種取向方式需要將磁性材料和非磁性材料科學合理地組合在一起。比較常用的磁性材料有工業純鐵、鐵鈷合金等,非磁性材料主要是高強度不銹鋼、鈹銅等。
應特別注意對磁場的控制:在注射之前應首先形成磁場,并待磁場進入穩定狀態時才開始注射。而在冷卻開始的同時形成去磁狀態,冷卻結束時去磁狀態也同時消失。
5 結論
注塑磁體為高精度工業用磁性器件,可廣泛應用于電子、汽車、航空和其他領域。目前,日本等發達國家注塑磁體的產量已經占粘接磁體總產量的30% 以上.而且制成品精度高、磁性強。由于我國具有豐富的稀土資源,近年來從事注塑磁體研究和生產的單位也在逐漸增加。只有解決了塑料磁體生產中的關鍵技術問題,才能使我國在未來國際永磁市場上占有一席之地。