釹鐵硼磁性材料發展現狀及性能研究

＊孫艷榮 張志鵬 李賽松 肖大慶 高雙林 李冬至,

（1.北華航天工業學院 河北 065000 2.華美節能科技集團有限公司 河北 065000 3.中油管道京磁新材料有限公司 河北 065000）

引言

釹鐵硼材料（Nd-Fe-B）永磁材料屬高性能的稀土材料，從20世紀80年代問世，就憑借其卓越的磁性能快速占領永磁材料市場，擁有著“永磁王冠”的美稱，也由于它具備高剩磁、高矯頑力、高磁能積的特點[1]，被廣泛應用于新能源汽車、風能發電、節能家電和信息產業等高新技術領域。由于產品和行業應用的不同，釹鐵硼磁體材料主要有燒結和粘結兩種[2]，近些年，由于稀土原材料的上漲，熱壓釹鐵硼也逐漸被研究發展起來。影響釹鐵硼磁體性能的因素有很多，顯微組織、磁疇結構和制備工藝都直接決定磁體性能的好壞，本文對不同制備形式的釹鐵硼進行工藝介紹，簡述釹鐵硼磁材料的應用方向，并對提高磁性能的影響因素進行研究探討。

1.釹鐵硼材料研究現狀

(1)燒結釹鐵硼

自1983年日本助友金屬公司發明釹鐵硼磁材料后，燒結釹鐵硼作為最早的制備工藝，最普適的實用價值，帶動稀土永磁材料進入了高速的發展時期，燒結釹鐵硼以其強大的磁體各向異性和低成本的原材料投入成為了各國的研究目標。我國作為稀土資源大國，在高新產業和低碳經濟的推動下，燒結釹鐵硼磁體的產量得到迅猛的增長，特別是制備工藝技術有了長足的發展。近年來，隨著燒結釹鐵硼在清潔能源、 交通運輸和電子信息、自動化和機器人及磁選機、磁性分離及信號傳輸、傳感器等領域中的應用，雙高磁性能（高磁能積（BH）max和高內稟矯頑力HcJ）[3-5]磁性成為重要的研發方向，目前理論上的實驗參數磁能積達到了64MGOe，矯頑力的理論值為73KOe。

(2)粘結釹鐵硼

盡管粘結釹鐵硼工業和燒結釹鐵硼同期興起，但是相較而言進展較為滯后。其中的影響因素是多種多樣的，主要因素之一是麥格昆磁集團對釹鐵硼快淬磁粉所檢測的成分和生產工藝具有獨特的專利授權制度，對粘結釹鐵硼的磁粉產品質量擁有絕對控制權，從而壟斷了市場資源。二是由于粘結釹鐵硼磁體的磁性能和機械硬度均較低，在實際應用上受到了較大制約，應用范圍也并不是燒結釹鐵硼那樣廣泛[6]。粘結釹鐵硼磁體一般是各向同性的，最高磁能積不過 16MGOe[7]；另外，由于粘結釹鐵硼的生產工藝還有相當的局限，因此用于粘結磁體的快淬磁粉生產能力只能適應較低端市場的應用。目前而言，由于新能源行業的發展，研究制造更高性能的各向異性稀土粘結磁體已成為市場上最新的需求方向[8-9]。

(3)熱壓/熱變形釹鐵硼

熱壓/熱變形Nd-Fe-B磁體幾乎是與燒結Nd-Fe-B磁體同時研究和開發出來的。首先使用了粉末熱壓，直接在鑄態合金中生產出全密度的各向同性Nd-Fe-B磁體，并運用了Nd-Fe-B的熱變形方向原理，發展出了熱壓/熱變形不同方向異性的Nd-Fe-B磁體生產工藝。釹鐵硼快淬磁粉可以利用緩慢且大幅度的熱壓改變誘發相應的晶體選擇方向，以便制造高質量的全密度不同方向異性磁體[6,10]，同時又因為其特殊的擠壓成形工藝也非常有利于生產高輻射選擇性的薄壁型加工磁環。由于目前高熱壓（熱變形）釹鐵硼磁體的生產通常采用MQ粉，磁體具有納米晶（微晶）的結構，在不添加重稀土等材料的情況下仍產生了很大的矯頑力，所以在成本上相比于燒結釹鐵硼磁體還具有了一定優勢[11]。

2.釹鐵硼磁體制備工藝

目前先進的燒結釹鐵硼磁體制備工藝有：母合金制備-速凝鑄帶（SC）技術、制粉-氫爆和氣流磨（HD+JM）技術、橡皮模具成型和等靜壓脈沖磁場成型技術、燒結-多室連續多功能燒結技術、熱處理與高壓氣淬結合、對流加熱熱處理技術[12]。SC技術具有高效的凝固速率，可快速細化晶粒，但是其缺點是二次加工難度增加且獲得的產品質量不高；制粉-氫爆和氣流磨（HD+JM）技術主要包括氫破碎和氣流磨制粉兩個工藝技術環節，其優點是不僅可以得到細小而均勻的粉末，而且還可獲得具有優良磁性能的磁體；橡皮模具成型和等靜壓脈沖磁場成型技術的難點是如何平衡磁場強度和成型壓力的關系以獲得更高的取向度；燒結-多室連續多功能燒結技術難點是如何適當選取燒結溫度并且在開始時刻要注意消除材料的表面應力，還原氧化物并且排除水氣，燒結溫度過高或過低均不利于優良磁體的獲得；熱處理與高壓氣淬結合、對流加熱熱處理技術的難點是如何有效把握熱處理的時間，經過多次回火熱處理可以獲得高性能的顯微組織。通過對磁體制備過程中熔煉工藝、氧含量、粉末顆粒粒度、燒結溫度和回火工藝等參數進行詳細研究，分析總結其對磁體的性能和耐溫性的影響的寬度與廣度，進而獲得最佳磁體制備工藝參數和方法。

與燒結釹鐵硼不同，粘結磁體的單個粉粒需要擁有足夠高的矯頑力，一旦高矯頑力所要求的多相組織和顯微結構在制粉過程中嚴重破壞，將無法生產出好的粘結磁體[13]。所以利用熔旋快淬磁粉的方法，首先將熾熱的熔煉合金傾倒或噴射到高速旋轉的水冷銅輪上，形成厚度為100μm的薄帶，由于冷卻速度過快，合金薄帶完全是非晶態，表現出典型的軟磁特性，再經過退火熱處理，非晶態合金晶化為平均尺寸30-40nm的納米晶，以達到穩定良好的永磁特性，由于熔旋快淬方法制成的是多晶粉末，且每個晶粒的易磁化軸沒有強烈的排列傾向，磁粉是各向同性的[14]。各向異性磁體粉末是通過氫化-歧化-脫氫-重組（HDDR）制備工藝形成的，首先在真空環境抽到10-6的情況下將Nd-Fe-B合金鑄錠升溫氫化形成氫化物，進而歧化分解。保持同樣的溫度將真空再次抽到10-6，合金在真空中脫氫，歧化反應逆向發生，使Nd-Fe-B主相重組，由多個亞微米晶粒構成合金粉末顆粒，合金粉末具有良好的永磁特性。

熱壓/熱變形磁體的制造需要從快淬Nd-Fe-B磁粉開始，而不是直接用鑄態合金。采用過淬（冷卻速度過快）的條件制備出更細的晶粒甚至是非晶態的磁粉，在熱壓和熱變形過程中讓晶粒受熱長大到接近單疇尺寸，從而在最終磁體中實現高矯頑力，熱壓過程是將磁粉裝在模具中在高溫下施加壓強制成各向同性實密度磁體，若將各向同性磁體放到更大口徑的加熱模具中，在受壓方向上變形50%以上，就獲得了相當充分的實密度各向異性磁體。

3.釹鐵硼磁體的應用

稀土永磁材料作為一種新穎永磁材料，已成為高新技術領域不可或缺的必需品，再加之我國限制稀土的出口使得國內相關企業迎來發展的黃金期，其將會有力促進現代科學技術與信息工業的發展。由于釹鐵硼擁有極高的磁能積和矯頑力，并且具有超高能力密度以及更優的性能價格比和更良好的機械特性，目前應用于新能源電機、礦山機械、航空航天等領域[15-17]。

(1)永磁電機

在永磁電機中，利用永磁體進行激磁，不僅可以降低電力消耗，達到節約能源的目的，而且可以改善電機的運行性能。風能作為可再生清潔資源受到人們的普遍重視，驅動風力發電的永磁風力發電機中，燒結Nd-Fe-B是重要的勵磁原件，用它來制造同步發電機運行更加穩定，電壓變化較低，響應速度快。新能源混合動力車的發電機和電動機均為稀土永磁電機，還有大量使用由Nd-Fe-B磁體制造的微特電機。另外，電子信息方面高性能Nd-Fe-B還用于手機振動電機和電聲單元揚聲器，電腦硬盤驅動器中的音圈電機（VCM）和主軸電機。

(2)磁力機械

磁力機械利用磁體同極性的排斥力或異極性吸引力來工作，需要永磁體具有高剩磁和高內稟矯頑力，此外，由于異磁極相互吸引的原理，構成磁力傳動器以非接觸式傳動[18]，具有不產生摩擦和噪聲的優點。所以高性能Nd-Fe-B磁體廣泛用于礦山機械的動輪傳動件，人造衛星、宇航器中陀螺儀、渦輪機上的磁性軸承，以及醫療設備輔助心臟工作的血流離心泵的轉子軸承等。

(3)航空航天

發射火箭、衛星定位和通信技術都離不開稀土永磁材料。高性能燒結Nd-Fe-B尤其利用在雷達的微波發射/接收系統，利用恒定磁場和微波交變磁場的的共同作用下出現鐵磁共振效應，可做成微波環行器、隔離器等。另外，在檢測大氣層惡劣環境中，傳感器技術是核心部件和首要環節，磁性傳感器就是利用磁性或者半導體材料的磁電、磁熱、磁力等效應來進行檢測，釹鐵硼稀土永磁材料作為磁路中的傳感源，提高了一個不損耗能量的無噪聲磁場。

4.釹鐵硼磁性能

永磁材料的磁性并非恒定的，在外界干擾下，磁體也會逐漸失去效能。材料化學組分及晶體結構是維持磁體內稟磁性機制的重要條件，而由成分和工藝決定的材料相組成及顯微結構會更顯著影響這個機制。下面就從磁性能的理化特性、磁化機理以及制備工藝上闡述不同類別釹鐵硼材料的永磁特性與其顯微結構的關系，討論如何從制備工藝和成分組織上獲得優異的永磁性能。

(1)燒結釹鐵硼

研究高性能燒結Nd-Fe-B主要是從高磁能積和高矯頑力等方面展開。事實上，提高磁能積的方法就是提高剩磁。為了達到高剩磁的目的，應盡量提高主相的飽和磁化強度和主相體積比例[19]。在設計成分時，應盡可能使原材料的正分原子比接近2:14:1，另外，在制備時調節工藝參數，提高磁體的取向度和致密度會增大飽和強度。高矯頑力是在提高磁體矯頑力的同時，盡量維持剩磁和磁能積不下降[20]，決定因素取決于兩個，一是提高主相的磁晶各向異性場，可以利用重稀土元素替代Nd或利用雙合金制備、晶界擴散工藝等使富Nd相分布均勻，從而增大晶粒間的退磁耦合；二是增大材料的不均勻性，可以通過添加低熔點金屬濕潤晶粒表面或添加高熔點金屬細化晶粒，同時產生新相替代富Nd相從而提高矯頑力。

(2)粘結釹鐵硼

粘結磁體是由磁粉和粘結劑組成的復合材料，粘結劑所占的體積和磁體內部的孔隙直接影響磁體的剩磁和最大磁能積，而磁粉粒度的粗細會導致內稟矯頑力和退磁曲線方形度的優劣。各向同性粘結磁性以Nd2Fe14B為硬磁主相，采用急冷快淬工藝將各向同性合金粉末納米化，從而實現高的內稟矯頑力；實現合金晶粒納米化的另一個途徑就是HDDR工藝，若HDDR的工藝恰當，納米晶粒的c軸將會保持和原來大晶粒的一致，磁粉成為各向異性磁粉。所以，對于各向異性粘結磁體，磁粉易磁化軸的均勻一致取向度是關系到磁性能的關鍵因素。

(3)熱壓/熱變形釹鐵硼

使用熱壓技術在氬氣環境下壓制快淬Nd-Fe-B磁粉，就可以得到具有實密度的各向同性磁體，而如果再加以熱變形加工各向同性磁體，就能夠使得易磁化軸上的取向度達到75%以上，進而生產出實密度各向異性熱變形磁體[21]。熱壓Nd-Fe-B磁體在磁化場較低的區域，熱變形磁體的起始磁化率很高，但高磁化率部分的比例很大，剩磁和內稟矯頑力的溫度系數都比快淬磁粉大，但少于燒結Nd-Fe-B。熱變形Nd-Fe-B的晶粒有很高的取向度，所以退磁曲線的方形度極大提高，從而增大了剩磁和最大磁能積，但大幅降低了內稟矯頑力。

5.結語

盡管我國稀土資源豐富，釹鐵硼永磁材料產業較多，但都集中在中低端產品上，這也是今后我國稀土永磁產業領域需要改進和提高的地方。為了實現稀土材料在更多領域，更復雜環境下的應用，獲得高性能、耐高溫、耐腐蝕、良好機械特性和低成本需求的磁體是我們持之以恒的研究目標。稀土材料釹鐵硼永磁材料工業在中國現代經濟社會發展過程中占有著關鍵的戰略地位，尤其是日新月異的現代科技以及信息產業化發展將為我國稀土永磁釹鐵硼工業提供更為廣泛的市場前景。目前全球各國對高性能釹鐵硼的研究主要集中在晶界擴散技術和尋找成本更低的制備工藝以及相組織結構上，前期已經取得大量研究成果，本文從釹鐵硼的制備工藝以及與磁體特性的關系等方面進行了系統而深入的分析，這些闡述討論為釹鐵硼產業化推廣提供了重要的理論支撐和技術引導，但只是研究釹鐵硼磁性材料發展趨勢上的冰山一角。關于更廣泛更深刻的研究內容，應該學習同行中前輩的經驗理論，不斷創新不斷努力，讓更優性能的釹鐵硼磁材料服務在國民生產上。