1、前言
日本住友特殊金屬公司的佐川真人于1983年率先報道了第三代稀土永磁——NdFeB永磁體的誕生。1984年,美、日等國就開始了NdFeB的商品生產,到2000年,全世界NdFeB稀土永磁的產量達到創(chuàng)記錄的1.26萬噸,估計60%以上被用于各類永磁電機中。未來十年,NdFeB稀土永磁,特別是粘結磁體仍將保持快速增長的勢頭。
1950年,一輛汽車中最多只有兩塊永磁體,一塊用于速度表,一塊用于揚聲器。時至今日,汽車中平均有41處采用永磁體,豪華轎車中更多達70處以上,價格越來越低的NdFeB永磁正逐步替代鐵氧體和鋁鎳鈷永磁。八十年代中期,美國一家公司首先將NdFeB用于計算機磁盤驅動器的音圈電機(VCM),不到一年就因NdFeB表面氧化而被索賠,導致公司倒閉。1986年,住友報道了NdFeB保護涂層的實驗結果:在濕熱(溫度60℃、濕度90%)條件下,未加保護涂層的NdFeB儲存200h后即可見氧化現象,1000h后表面嚴重氧化,磁通密度下降4%,而鍍鉻的NdFeB經1000h濕熱儲存,表面僅有輕微氧化;美國IG公司也開始噴涂白色保護層,以防NdFeB表面氧化。據作者近日赴美考察了解,1998年以來,一種新的磁材表面處理工藝VDP正在快速推廣應用。
經過十多年的努力,NdFeB稀土永磁的表面涂覆技術日臻完善,成果累累。本文簡要介紹了NdFeB表面銹蝕的機理和主要的抗氧化涂覆方法,并對各種保護涂層的優(yōu)缺點作了初步的比較研究。
2、NdFeB表面銹蝕機理和涂層要求
2.1表面銹蝕機理
十多年來的研究已經證實,通常NdFeB是由薄層相的富Nd和富B相及基相Nd2Fe14B相所組成,為獲得優(yōu)良的磁性,這種復合的金相結構是必要的。然而,正是這種復相結構對磁體抗氧化帶來不利?；ハ嘟佑|的不同相因其電動勢的差異而形成“電池”,薄層相為陽極,基相為陰極。Nd和Fe又極易氧化,體積極小的薄層相在相對很大的陽極電流作用下被加速腐蝕,這種腐蝕沿基相晶界進行。此外,氫極易滲入NdFeB晶界,使磁體產生“氫碎”而粉化。可以說,“電池”作用和“氫碎”作用是NdFeB稀土永磁銹蝕、粉化的主要原因。
2.2NdFeB涂層的基本要求
根據以上分析,對NdFeB保護涂層的基本要求應當是:
——涂層應盡可能地薄,使磁體應用時不致產生太大的氣隙;
——涂層應具有足夠長的使用壽命;
——涂層的附著力要足夠好,保證在磁路中不會脫落;
——工藝過程中應盡可能避免氫氣滲入,最好能與氫氣隔絕;
——工藝應適用于各種復雜形狀的磁體。
3、涂層質量驗證及加速試驗條件
由于涂層材料不同,涂層質量指標也有所不同。對金屬鍍層而言,電鍍層的厚度、附著力、電阻率等是必須考慮的技術指標;對絕緣涂層而言,膜厚、表面電阻、耐壓強度、介電常數、附著力、密度等技術參數都很重要。大多數企業(yè)要想完整地測量上述技術指標是有困難的,一方面是因為技術力量和技術手段不足,另一方面從經濟上考慮也不合算,更要的一點是確無必要。實踐是檢驗真理的唯一標準。人們更多的是選用加速試驗來驗證涂層質量和電鍍的實際效果。目前國內外普遍采用的加速試驗主要內容有:(1)低溫試驗、(2)高溫儲存、(3)濕熱儲存、(4)濕熱循環(huán)、(5)加速的濕熱、(6)溫度交變、(7)鹽霧試驗、(8)SO2侵蝕、(9)H2S侵蝕、(10)過飽和食鹽溶液浸泡等。第(10)項是最簡便易行、快速實用的方法,對中小型NdFeB稀土永磁生產企業(yè)特別有用,大多數磁體用戶也能接受。為了與國際接軌,可以也應該采用IEC標準對NdFeB稀土永磁涂層質量進行考核、驗證,如IEC6822211標準就規(guī)定了鹽霧試驗等級;日本一些公司采用過飽和食鹽溶液浸泡時間來考核、驗證等等。
4、幾種涂覆技術的比較
幾度風雨,幾度春秋,形形色色的NdFeB稀土永磁表面涂層技術經十多年的發(fā)展,目前比較公認的有:樹脂涂層、Al離子鍍層、Ni鍍層和分子氣相沉積(VDP)等幾種。
4.1樹脂涂層
主要采用噴涂或電泳方法,將環(huán)氧樹脂涂覆在磁體表面。在各種樹脂中,環(huán)氧樹脂的吸水性和滲透性最小,因而具有優(yōu)異的防水性、抗化學侵蝕及粘結特性。環(huán)氧樹脂噴涂或電泳前,必須認真清除NdFeB磁體的表面油污。當涂層厚度為20～30Lm的磁體,在濕熱(溫度80℃、濕度90%)條件下,涂覆前用溶劑清洗表面的能支持50h;用噴沙清洗表面的能支持100h;用磷酸鋅清洗表面的能支持300h以上而不發(fā)生任何銹斑。
4.2Al離子鍍層
離子鍍層是將金屬離子沉積在磁體表面,涂覆金屬在負壓的Ar氣氛中被加熱成為離子化蒸汽,Al因沉積率高、抗蝕性好而被首選為沉積金屬,鍍層厚度一般為7～13Lm,但Al離子鍍層表面粗糙且有縫隙,需用玻璃小球進行噴丸處理,再用亞鉻酸鹽使Al鈍化,達到封閉表面縫隙和孔洞的目的。
4.3Ni鍍層
在NdFeB磁體表面鍍Ni、Zn、Sn、Cr等金屬,需在化學成分上進行調整,以緩解電鍍對磁體表面產生的過度反應,Ni鍍層厚度一般為7～15Lm,陰極電鍍Sn的厚度為12～24Lm。此外也可采用氮化鈦或在鍍Ni、Zn等金屬后再加一層樹脂,以提高耐腐蝕性。
4.4分子氣相沉積
與Al離子氣相沉積鍍層不同,目前國際上最為流行的是分子氣相沉積涂層工藝[4],亦即VDP(VaporizedDepositProcess)工藝,VDP工藝采用一種叫做Parylene的新型高分子聚合物作為涂覆材料,其工藝過程可分為三個步驟,如圖1所示。
圖1VDP氣相分子沉積工藝過程
第一步是在大約150℃溫度下將固態(tài)的高分子二聚物在真空中進行蒸發(fā),使這種白色粉末直接升華為氣態(tài);第二步是對這種氣態(tài)的高分子二聚物加溫至680℃左右,使其裂解為具有活性的單體;第三步是使氣態(tài)的單體象云霧般充滿真空狀態(tài)下的沉積室,然后在NdFeB磁體表面發(fā)生聚合,不斷生長成薄膜涂層,直至單體不再存在為止。由于氣相分子幾乎無孔不入,所以VDP工藝能適應各種形狀的磁體,包括尖銳的邊緣、針孔、微裂紋甚至盲孔,均將生成致密的、十分均勻的Parylene保護膜,不會出現液態(tài)涂覆時在小孔、相的表面以及拐角處形成的“橋接”;此外,由于氣相分子沉積是在室溫下進行的,所以也不會產生液態(tài)涂覆時的凝固應力和加熱過程導致的嚴重張力。同真空金屬鍍膜不同,VDP工藝沉積速度相當快,通常每分鐘可沉積0.2Lm;動力學研究表明,沉積速度與沉積室內單體濃度平方成正比,與溫度成反比;只要控制單體濃度、沉積時間和溫度,就可控制涂層厚度,一般Parylene薄膜的厚度控制在1～100Lm之間。
5、結語
為了提高NdFeB稀土永磁體表面抗氧化耐腐蝕性能,人們也從改變微觀結構、添加Mo或Co+V等成分入手,做了大量工作,但到目前為止,比較有效的方法還是采用表面涂層技術。在上述幾種涂層技術中,單純的樹脂涂層和Ni、Zn、Sn等金屬鍍層抗銹蝕的效果不夠理想;Al離子氣相沉積工藝相當復雜,大生產中難以推廣;VDP工藝較為簡便,但目前主要的原材料Parylene尚需進口。
中國西南應用磁學研究所作為我國磁性行業(yè)的學術和技術帶頭人,在國內率先引進了VDP工藝設備和技術。今年6月,受領導的委派,作者赴美接受技術培訓并對VDP工藝設備進行了初步驗收,結果表明,VDP設備和技術是比較先進的,自動化程度也很高。既可滿足科研開發(fā)應用,也可用于大生產;這種工藝技術既可用于NdFeB稀土永磁表面涂層,也可用于軟磁鐵氧體磁芯,尤其對高導小磁芯具有重要的意義。當然,要掌握磁材預處理工藝、涂層質量控制和檢測技術、VDP設備保養(yǎng)與維修技術等尚需作出巨大努力。此外,原材料Parylene和設備的國產化也應及早提到議事日程。只有這樣,VDP工藝設備的引進才能充分發(fā)揮其經濟效益和社會效益,才能不斷推動磁性行業(yè)的技術進步和技術創(chuàng)新。
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