精密儀表馬達定子鐵芯疊片高可靠膠接工藝

張 紗，李彥博，王 鵬，郝 晨

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

某型精密馬達是慣性儀表中的重要組成部分,其定子、轉子間隙只有幾個微米,其運轉性能的好壞直接影響著慣性儀表的測量精度和使用壽命。為降低渦流損耗帶來的發熱現象,馬達定子、轉子鐵芯疊片間采用絕緣膠連接,但該型馬達定子鐵芯疊片間膠層厚度不足0.02mm,要求必須能夠承受較強的機械加工應力和溫循過程產生的熱應力,這就要求馬達定子、轉子鐵芯疊片間具有較強的粘接強度和粘接可靠性。否則,馬達定子、轉子鐵芯開裂后產生的極微量多余物就會在定子、轉子之間聚集,嚴重時造成馬達卡死、儀表工作異常等質量問題。

軟磁合金具有較小的矯頑力、較大的飽和磁感應強度和磁導率等特性,是精密儀表電磁元件常選用的磁性材料[1-3]。但是,軋制出來的軟磁合金帶材通常表面十分光滑,這對于定子鐵芯疊片粘接不利,很容易在后期造成片間開裂。因此,必須提高軟磁合金疊片間的粘接強度和可靠性。

表面清洗[4-6]、表面等離子處理[7-8]以及偶聯劑[9]的使用是提高環氧膠與金屬之間粘接強度的主要方法,本文通過在軟磁合金表面清洗、偶聯劑應用等方面開展相關技術研究,并結合機械加工驗證結果,提出了適用于某型馬達定子鐵芯疊片高可靠粘接的工藝方法。

1 鐵芯疊片膠接試驗

1.1 原料

試驗所需的原材料主要為軟磁合金帶材表面清洗溶劑、軟磁合金帶材表面預處理試劑及鐵芯膠接膠液,上述材料標準或生產廠家如下:

1)清洗液CT-208A,深圳天躍化學工業有限公司；

2)硅烷試劑KH-550,南京創世化工有限公司；

3)無水乙醇、冰醋酸(均為分析純),北京化工廠；

4)KH-225膠液,Q/HDKM7001-2009。

1.2 馬達鐵芯疊片的制作

馬達鐵芯疊片的制作流程如圖1所示,具體為:

圖1 鐵芯疊片制作流程圖Fig.1 Production flowchart of core sheets lamination

1)清洗:在自來水中將熱處理后的疊片表面殘留的氧化鋁粉洗掉,然后使用丙酮或CT-208清洗劑對疊片表面進行清洗(或借助超聲波清洗機),最后將清洗后的疊片在鼓風干燥箱中干燥；

2)配膠:按照膠液配置比例稱取A組分膠液,解熱至100℃并攪拌2min,然后按比例稱取B組分膠液,攪拌至均勻；

3)涂膠:將配制好的KH-225膠液均勻涂抹在疊片表面,放置于專用工裝上；

4)疊壓及固化:疊壓成型并在120℃固化3h。

1.3 檢測與分析

試驗過程中對清洗效果、粘接效果、膠液固化程度等進行檢測,具體檢測項目如表1所示,具體檢測方法如下:

表1 檢測分析項目列表Table 1 List of test and analysis items

1)使用德國OCA25視頻光學接觸角測量儀對環氧膠液在軟磁合金疊片表面的接觸角進行測量；

2)使用濟南中路昌電子萬能試驗機對制備的軟磁合金國標試樣(GB/T 7124-2008)的粘接強度進行檢測；

3)使用數字式電子彈簧秤對定子鐵芯疊片的撕開力進行檢測；

4)使用舜宇恒平FA-2014電子分析天平對膠樣的揮發性進行檢測和分析。

2 檢測結果與討論

2.1 馬達定子鐵芯疊片線切割開裂機理分析

鐵芯疊片組件線切割采用的是慢走絲工藝,由于是在水浴環境,通過對比試驗研究了水浴環境對疊片間粘接力的影響,具體如表2所示。可以看出,疊裝后的馬達定子鐵芯疊片在自然通風環境下疊片間的撕開力在6kg左右。但在室溫下浸泡60h后,粘接強度下降明顯,撕開力下降到3.9kg,下降了35%左右。再將浸水后的試件在120℃加熱1h,剩余疊片的撕開力又恢復到6kg以上。這一結果表明,水或者濕氣能夠明顯降低疊片間的粘接強度。

表2 水對馬達定子鐵芯疊片間撕開力大小的影響Table 2 Effect of water on the tear strength between motor stator core sheets

線切割過程中,金屬線與鐵芯疊片間通過放電作用產生電火花,通過電火花的能量將金屬線周圍的金屬熔掉,實現零組件成型。根據表2的數據對比分析,線切割過程產生的高濕熱環境不但會降低疊片間的粘接強度,還會因為局部過熱膨脹產生一個很強的撕開作用力,如圖2所示。如果鐵芯疊片間的粘接強度低于該作用力,鐵芯疊片將會發生開裂現象。

圖2 馬達定子鐵芯疊片線切割開裂過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of cracking process between motor stator core sheets

2.2 表面清洗方法對疊片間粘接強度的影響

表3為清洗方法對疊片粘接強度的影響。可以看到,傳統有機溶劑(酒精或丙酮)清洗疊片表面后會有溶劑殘留,粘接后的鐵芯疊片撕開力在6.5kg以下。使用CT-208A清洗劑清洗的疊片表面無溶劑殘留,疊片間撕開力達到8kg以上,比傳統溶劑清洗方法提高了20%以上。如圖3所示,在此基礎上再借助超聲波清洗,疊片間撕開力可以提高到9kg以上,比傳統溶劑清洗提高了38%以上。疊片間撕開力提高的原因主要是疊片表面潔凈,無溶劑殘留,疊片表面能夠更好地與環氧膠接觸,提高了兩者的化學結合程度。

表3 清洗方法對疊片間粘接強度的影響Table 3 Effect of cleaning methods on bonding strength between sheets

圖3 疊片的超聲波清洗及其撕開力測試Fig.3 Diagram of sheet samples ultrasonic cleaning and their tear strength tests

2.3 偶聯劑添加對馬達鐵芯疊片的影響

(1)粘接強度

偶聯劑是一種常用的膠黏劑助劑。為提高鐵芯疊片間的粘接強度,在KH-225膠液中添加了KH-550偶聯劑,粘接強度測試(GB/T 7124-2008)結果如表4所示。

表4 偶聯劑添加量對室溫剪切強度的影響Table 4 Effect of coupling agent addition on bonding strength

可以看出,不添加偶聯劑時,室溫下的軟磁合金粘接強度只有17.3MPa；添加量為0.5%時,軟磁合金粘接強度提高到了19.3MPa；添加量為1%時,軟磁合金粘接強度達到22.1MPa,提高了27%左右。此后,隨著偶聯劑添加量的增大,軟磁合金粘接強度逐漸降低。

圖4為粘接破壞后的軟磁合金表面光學顯微照片。不添加偶聯劑時,粘接破壞后,環氧膠層基本都附著在軟磁合金的其中一個粘接面上；添加KH-550后,粘接破壞面兩側都有殘膠。這說明不使用偶聯劑時,在外力作用下,破壞首先發生在軟磁合金與環氧膠的界面處,其粘接強度較差；添加少量偶聯劑后,粘接破壞發生在軟磁合金之間的膠層本體,由于膠層本身具有較高的內聚能,需要在較強的外力作用下才能產生粘接破壞。

圖4 剪切破壞后的試樣表面狀態Fig.4 Morphology of samples surface after shear failure

(2)操作時間

凝膠時間測試過程選用塑料小杯作為容器,在55℃環境下攪拌均勻后開始計時,當膠液顏色明顯發白、黏度急增時停止試驗。試驗過程中,每隔相應的時間記錄下膠液狀態,詳細檢測數據如表5所示。

表5 偶聯劑添加量對KH-225凝膠時間的影響（55℃）Table 5 Effect of coupling agent addition on KH-225 gel-time under 55℃

55℃環境下,偶聯劑添加量低于1%時,環氧膠的凝膠時間能達到140min,與不添加偶聯劑的凝膠時間相當。只有當偶聯劑的添加量達到1.5%以上時,凝膠時間會縮短到120min以內,可以認為偶聯劑KH-550添加量在0.5%～1.5%之間時不會對膠液的操作時間產生明顯影響。

(3)揮發性

為評價膠樣的揮發性和穩定性,將不同偶聯劑添加量的膠樣放置在100℃的真空干燥箱內,在抽真空環境下進行膠樣出氣試驗。每天使用高精度分析天平(精度為0.1mg)稱重并記錄數據,試驗周期為10天,根據試驗數據繪制膠樣失重曲線,如圖5所示。

圖5 偶聯劑添加量對膠樣失重率的影響Fig.5 Effect of coupling agent addition on sample weight loss rate

偶聯劑添加量為0.5%時,膠樣的揮發性得到明顯降低,10天后的揮發性僅為0.105%,低于純環氧膠的0.156%,并且整體穩定性好于環氧膠。偶聯劑添加量為1%時,膠樣的揮發性開始增強,但10天后的揮發性(0.150%)仍低于純環氧膠,仍保持了較好的穩定性。偶聯劑添加量為1.5%時,膠樣的揮發性開始明顯增強,10天后的揮發性達到了0.404%,穩定性也顯著降低。偶聯劑添加量再增加時,膠樣揮發性能不再顯著變化。

硅烷偶聯劑作為一種助劑,只適合少量的添加。在1%以內的添加量范圍內,硅烷偶聯劑可以使環氧膠固化時形成更好的三維網絡結構,提高了大分子固化產物的占比,膠樣的揮發性得以降低。添加量大于1%后,大量的偶聯劑分子與環氧樹脂分子結合,形成了較多的低分子產物,由于低分子產物更易揮發,膠樣的揮發性和穩定性變差,這也是偶聯劑添加量高于1.5%時膠樣穩定性變差的直接原因。結合圖5的測試結果,硅烷偶聯劑KH-550添加量不宜高于1%。

2.4 應用驗證

將表面清洗工藝(超聲清洗+CT-208A清洗劑)和偶聯劑KH-550(添加量為1%)應用于馬達鐵芯疊片組件的膠接過程,并經線切割工序實際驗證。如表6所示,改進后馬達疊片間撕開力從6kg提高到12.2kg,提高了約103%,疊片間抵抗開裂能力顯著增強。線切割馬達定子鐵芯疊片組件20件均無開裂現象,遠高于以前工藝過程的合格率(約 40%)。

表6 應用驗證對比結果Table 6 Comparison results of application verification

3 結論

本文針對某型精密儀表馬達定子鐵芯生產過程中存在的疊片粘接質量差、線切割合格率低等問題,在線切割開裂機理研究的基礎上,完成了疊片表面清洗劑、清洗方法以及偶聯劑添加對鐵芯疊片粘接質量的影響研究,形成的結論如下:

1)軟磁合金疊片表面使用CT-208A清洗劑并采用超聲清洗方式可以有效清除表面污物并且無溶劑殘留,可以明顯提高疊片間的粘接強度；

2)在KH-225膠中添加1%的KH-550偶聯劑可以顯著提高疊片間的粘接強度,并且不會影響膠液的操作時間和膠樣的揮發性；

3)將CT-208A清洗劑、超聲清洗方法以及偶聯劑添加應用于某型精密儀表馬達定子鐵芯疊片膠接工藝后,線切割合格率可以提高到98%以上。