采用石蜡基粘结剂体系制备注射成形Sm2Col7 永磁体.pdf

第30卷第12期2008年12月北京科技大学学报JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingV0130NO12Dec2008采用石蜡基粘结剂体系制备注射成形Sm2Col7永磁体田建军左志军潘德安张深根曲选辉北京科技大学材料科学与工程学院。北京100083摘要选择石蜡基热塑性粘结剂，采用粉末注射成形(PIM)I艺制备烧结Sm2C017永磁体粘结剂由PW、HEPE、LEPE、PP和SA组成。通过分析喂料流变性能和磁体残碳含量，确定合适的组元配比(质鼍比)为PW：LEPE：PP：SA=7：1：l：1在氩气和氢气混合气氛下热脱脂，永磁体的碳、氧含量较低最终得到永磁体的磁性能为：剩磁B，=051T，内禀矫顽力Hj=168kAm一，最大磁能积BH。=213kJm与传统方法制备的永磁体相比PIM永磁体退磁曲线的方形度较差，磁性较低造成磁体性能较差的原因是残碳的质量分数较高(i033)，较高的碳含量导致磁体中出现高熔点的非磁性相ZrC，使zr的有效含量降低。片状相和1：5相体积分数减少，胞状显微组织和微观结构被破坏，磁性能下降因此。采用PIM工艺制备高性能烧结钐钴永磁体。其关键是降低磁体中的残余碳含量关键词Sm2C017永磁体；粉末注射成形；粘结剂；石蜡；碳含量分类号TM273Sm2C017permanentmagnetspreparedbyPIMwithPWbasedbinderTIANJ如njMn，ZUOZhijun，PANDe口n，ZHANGShengen，QuXuanhuiSchoolofMaterialsScienceandEngineering。UniversityofScienceandTechnologyBeijing13eijing100083，ChinaABSTRACTPowderinjectionmolding(PIM)wasusedtOpreparesinteredSm2C017magnetswithparaffinwax(PW)basedbinder，whichconsistsof70PW，10LEPE，10PP，and10sA(massfraction)ThebinderisremovedbythermaldebindinginthemixingatmosphereofargonandhydrogenThemagneticpropemieaofthesinteredPIMmagnetsareremaneneeBr=051T，intrinsiccoereivityHd=168kAm，andnmximklmenergyproductBHm=213kjm一Comparedwithcommercialmagnets，themagneticpropertiesarepoorbecausethePIMmagnetshavehighcarbonmassfraction(033)CarbonconsumestheeffectivecontentofZrandformshighmeltingpointnonmagneticphase(Z疋)，whichresultsinthedecreaseinvolumeContentoflamellaphaseand1：5phaseDeteriorationofthecellularstructureandSEMstructureleadstothedecreaseinmagneticpropertiesofthePIMmag-netsItisconcludedthatresidualcarboninthemagnetsshouldberemovedwhenthesinteredmagnetsispreparedbyPIMKEYWORDSSm2Col7permanentmagnets；powderinjectionmolding；binder；paraffinwax；carboncontent2：17型钐钴永磁体(Sm2C017)是一种磁性能优异的永磁材料，由于其较好的稳定性、耐腐蚀等性能，在国民经济和军事国防中起着非常重要的作用【1-2】Sm2C017永磁体的饱和磁化强度和居里温度较高，是最具潜力的高温永磁体，也是目前国内外研究的热点3-4但是，Sm2C017永磁材料的脆性很高，不易于加工，成本很高，传统的制备工艺很难克服这些缺点，而粉末注射成形技术(powderinjectionmolding，PIM)能很好地解决这方面的问题PIM是从塑料工业引入粉末冶金中的一种新型的近净形成形技术，可以制备形状复杂和小型精密的零件i5-6此外，注射成形时粉末处于流态，利于磁场取向，从而可以制备复杂特殊取向的永磁体目前，采用PIM制备烧结的Sm2C017永磁体的研究较少，国内外还没有详细报道和研究进展PIM制备烧结永磁体的核心部分是粘结剂的选择，它直接影响到整个工艺过程和产品的性能石蜡基粘结剂体系具有很好的流动性和生坯保形性，是当前注射成形中收稿日期：20071卜30修回日期：2008_09_02基金项目：北京市自然科学基金资助项目(No2073026)作者简介：田建军(1977一)男讲师博士，Email：tianjianjunmaterustbeducn万方数据第12期田建军等：采用石蜡基粘结荆体系制备注射成形Sm2Co，永磁体应用最为广泛的一种体系，采用这种体系制备烧结永磁体对于实际生产具有重要的意义1实验采用名义成分为Sm(CObalFe017Cuo08Zr0_03)75合金粉末，其平均粒度为36“m粘结剂是由石蜡(PW)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)和硬脂酸(sA)等组成，粘结剂的组成如表1所示裹1石蜡基热塑性粘结剂的组成(质量分数)Table1CompositionofPWhosedbinders将合金粉末分别与不同粘结剂在130150下进行混炼，得到成分均匀的喂料，粉末的装载量为60(体积分数)；然后在径轴两用磁场注射成形机上注射成生坯；将生坯经过溶剂脱脂后，在氩、氢混合气氛下进行热脱脂；最后把脱脂坯进行烧结和热处理得到烧结永磁体喂料的黏度在XI。Y一型毛细流变仪上进行测量，毛细管直径为127mm，长度为762mm；磁体碳含量采用化学分析法测定；烧结磁体的密度采用排水法测量，测试设备是精度为01mg的光电分析天平；磁体磁性能采用NIM-200C型磁滞回线测量仪来进行测试；采用$360型扫描电镜(SEM)、Dmax-RB型X射线衍射仪(XRD)和H-800型透射电子显微镜对磁体的微观组织和结构进行分析2实验结果21粘结剂的性能在注射过程中，喂料流变性的好坏直接影响到模腔填充效果和生坯质量喂料是由合金粉末与粘结剂混炼而成，它在熔态下表现出复杂的假塑性流变行为黏度是评价喂料流变性能的重要指标，适宜的黏度可以避免注射时两相分离和喷射现象黏度不仅与温度、压力有关，也与剪切速率有关78】，即：叩=k7”一1(1)式中，呀是黏度(Pas)，y是剪切速率(s1)，k是常数，肛是流动行为指数r值表示黏度对剪切速率的敏感程度，r1行值越小，黏度对剪切速率变化越敏感，越利于注射成形将1#、28和38粘结剂分别配置成1#、2#和3#喂料，在170测试剪切速率与喂料黏度的关系，如图1所示结果显示，随着剪切速率增加，喂料黏度明显下降，呈现假塑性流动行为通过计算，1#、2#和3#喂料的7l值分别为029、035和036因此，l9喂料应变敏感因子最小，2#和39相差不大从流变性能上，1最好，2#和3#相近圈1剪切速率对喂料黏度的影响Fig1Effectofshearrateonviscosity选择粘结剂体系不仅要考察喂料的流变性能，还要分析对最终烧结体碳含量的影响图2列出了三种喂料制备的烧结永磁体的碳含量结果显示，3#喂料的残余碳含量最低(033，质量分数)，1#喂料最高(078)因此，虽然1#喂料的流变性能最好，但是残余碳含量很高，不适于PIM稀土烧结永磁体；3#喂料的碳含量较低，流变性能与2#喂料相近因此，选择3#粘结剂用于PIM钐钴永磁体的制备逞妊惫蛔喀谨图2不同喂料制备永磁体的残余碳含量Fig2Residualearboncontentinthemagnetspreparedbydifferentbinders22永磁体的性能采用3#粘结剂制备PIM钐钴永磁体，在氩气和氢气混合气氛下热脱脂，通过烧结和时效处理，最终永磁体的磁性能：剩磁B，=051T，内禀矫顽力Hcj=168kAm-。，最大磁能积BH一=万方数据北京科技大学学报第30卷213kJm一3；永磁体中碳质量分数为033，氧为041。密度为821gcm一图3是PIM永磁体的退磁曲线结果显示曲线的方形度较差，与传统工艺制备的磁体相比，磁性能很低，其原因将在下面进行论述H(gAm一1)围3永磁体的退磁曲线Fig3Demagnetizationcul-vesofthemagnetsbyPIM3讨论对PIM烧结Sm2Col7永磁体和传统工艺永磁体进行XRD分析，如图4所示结果表明，传统工艺制备的永磁体主要由2：17型相和I：5型相组成；而PIM永磁体中除了这两种磁性相外，还存在大量ZrC相的衍射峰说明PIM永磁体中的残余碳与合金中的Zr发生反应，形成非磁性相ZrC笔者已经研究了碳在钐钴永磁体中的作用行为，结果表明：随着碳含量增加，永磁体的磁性能明显下降，当碳质量分数达到04时，磁性能基本消失；只有碳控制在01以下，永磁体才能显示良好的磁性能PIM工艺制备的永磁体中碳质量分数为033，大大超过了01碳在Sm2C017永磁体中与Zr发生反应形成Z疋一方面形成了非磁性相，另一方面降低了zr的有效含量磁体中的Zr在永磁体中促进片状相的生成，这种片状相加速Cu元素的扩散，提高1：5相的析出量，从而得到1：5相包围2：17相的典型胞状显微组织结构磁体中Zr含量减少，片状相和1：5相降低，当永磁体中没有完整的胞状显微组织时，永磁体的磁性能消失趟鼎蛮晕图4烧结Sm2C017永磁体的XRD图谱(a)传统工艺永磁体；(b)PIM永磁体Fig4TypicalX-raypatternsofthemagTlets：(a)magnetbytraditionalPMprocess；(b)PIMmagnet图5是传统工艺永磁体和PIM永磁体的TEM结构照片结果显示：传统工艺永磁体具有完整的囝5永磁体的TEM结构照片(a)传统t艺永磁体；(b)PIM永磁体Fig5TEMmicrostructuresofthemagnets：(a)magnetbytraditionalPMprocess；(b)PIMmagnet万方数据第12期田建军等：采用石蜡基粘结剂体系制备注射成形Sm2Co。，永磁体1377胞状显微组织，胞内是2：17相，它是磁体高饱和磁化强度的来源，胞壁是1：5相，它通过钉扎磁畴获得高的内禀矫顽力10；而PIM永磁体没有完整的胞状显微组织。造成磁性能偏低4结论采用石蜡基热塑性粘结剂体系制备PIM烧结Sin2Co，7永磁体根据喂料的流变性能和对磁体碳含量的影响，粘结剂组成(质量比)为PW：LDPE：PP：SA=7：1：1：1在氩气和氢气混合气氛下进行热脱脂，经烧结、热处理得到永磁体，其磁性能为B，=051T，H。i=168kAm-。，BH。；=213kJm与传统工艺制备的磁体相比。PIM磁体退磁曲线的方形度较差，磁性很低，原因是PIM永磁体碳含量很高(033，质量分数)较高的碳含量导致磁体中出现高熔点的非磁性相ZrC，造成zr的有效含量降低，片状相和1：5相体积含量减少，胞状显微组织和微观结构被破坏，磁性能下降采用石蜡基热塑性粘结剂体系很难将磁体的碳含量降至01以下，必须开发新型低碳的粘结剂体系参考文献1TangW，ZhangY，I-ladjipanayisGCeta1MicrostmctureandmagneticpropertiesofSm(CoFe，Cu0128Zr002)70MagnMagnMater，2000221：2682TianJ，QuX，ZhangS，eta1Magneticpropertiesandmi-crostructureofradiallyorientedSm(Co，FeCu，Zr)ringmag-netsMaterktt200761：52713WalmerMSChenCHAnewclassofSmTMmagnetsforoperatingtemperaturesupto550degreescelsiusIEEETramMagn，200036(5)：33764】TangWZhangYGabayAMna1AnomaloustemperaturedependenceofeoercivityinrareearthcobaltmagnetsJMagnMagnMater，2002242245：1335【5TianJJ。TaoSW，ZhangSGeta1StudyonsolventbindingofiniectionmoldingpartsofSm(Co，Cu，Fe。Zr)：permanentmag-netsP01zderMetalllnd，2006，16(2)：9(田建军陶斯武张深根等Sm(Co，Cu，FeZr)：永磁体注射成形坯溶剂脱脂工艺的研究粉末冶金工业，200616(2)：9)6QuXHYanHSHuangBYDevelopmentofbindersformetalpowderinjectionmoldingPo划erMetallTechnol，199715(1)：61(曲选辉颜寒松，黄伯云金属粉末注射成形粘结剂的发展粉末冶金技术，199715(1)：61)7RenkRSPolymerRheoogyTranslatedbySongJQBeijing：DefenseIndustryPress1983(伦克RS聚合物流变学宋家琪译北京：国防工业出版社1983)8】YuTYHghPolymerVscoeastcShanghai：ShanghaiScientitleTeehnicalPublishers1986(于同隐高聚合物的