燒結釹鐵硼速凝薄片的工藝設備及應用

郭峰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330038）

新材料的研制和應用是21世紀科技發展的主要方向之一。為培育和發展新材料產業，推動材料工業轉型升級，支撐戰略性新興產業發展，加快走中國特色的新型工業化道路，工業和信息化部2021年組織制定了《“十四五”原材料工業發展規劃》。該規劃明確將高性能稀土磁性材料作為重點突破的關鍵材料品種之一[1]。稀土永磁材料是一類以稀土金屬元素RE(Sm、Nd、Pr等）和過渡族金屬元素TM(Fe、Co等）所形成的金屬間化合物為基礎的永磁材料[2]。按開發應用的時間順序，稀土永磁材料可分為第1代釤鈷永磁材料（SmCo5）、第2代釤鈷永磁材料（Sm2Co17）和第3代釹鐵硼（Nd2Fe14B）永磁材料[3]。其中，第3代釹鐵硼永磁材料，自從1983年被佐川真人發現以來，已成為稀土永磁材料的代表。由于其高磁性能、易加工性能和高性價比，在機械、電子、儀表和醫療等領域獲得了廣泛應用[4]。本文擬對燒結釹鐵硼速凝薄片的生產工藝和主要生產裝備進行介紹，并對目前我國釹鐵硼材料的市場、應用領域和發展方向進行分析。

1 燒結釹鐵硼永磁材料發展現狀

按制備工藝的不同，釹鐵硼磁體可分為燒結、黏結和熱壓三類。其中，燒結釹鐵硼永磁材料是市場上應用最廣泛、產量最大的釹鐵硼永磁材料[5]，市場占有率高達90%以上。高端釹鐵硼材料主要應用于高端電機和揚聲器之中的磁鋼，包括節能電機、風力發電、高級音響設備、電梯電機等[6]。中低端釹鐵硼主要應用于磁吸附、磁選、箱包扣、門扣等領域。據統計，全球高性能釹鐵硼永磁材料增速明顯，2020年全球高性能釹鐵硼永磁成品產量66 kt，預計到2025年產量將達130 kt，復合年均增長率達14.4%[7]。我國作為世界第一大釹鐵硼永磁材料生產國，近10年間釹鐵硼永磁材料產量增長了118%，年平均增長速度約為9%[8]。高性能釹鐵硼永磁成品產量預測如圖1所示。

高性能燒結釹鐵硼速凝薄片（以下簡稱“薄片”）是生產釹鐵硼永磁體工藝中不可或缺的中間產品，磁體廠家所需薄片通常由自制、自制+外購、完全外購等方式獲得[9]。在國內釹鐵硼磁體行業中，大部分有實力的大型企業（產能＞5 kt）將熔煉速凝爐的產能按磁體產能的1/2~2/3配置，部分小型企業（產能＜2 kt）基本不配置熔煉速凝爐，所需薄片全部外購或委托加工。

這是由于：1）受市場需求波動的變化，釹鐵硼磁體的生產具有一定的季節性，企業的產能波動較大；2）投資建設釹鐵硼磁體的生產設備所需資金量也較大，尤其是熔煉速凝爐的投入所占比重最大，委外加工能有效減少磁體企業的一次性投入；3）磁體企業對熔煉設備、生產工藝的掌握不如專業廠家，生產出的燒結釹鐵硼速凝薄片在質量上并不具有優勢；4）部分早期磁體廠家購置的熔煉設備已到壽命，多種因素考慮不再更新設備。

據統計，現有釹鐵硼磁體產量已達200 kt，按15%的年增長率測算，預計2025年釹鐵硼磁體產量將達到400 kt。近年來，國內釹鐵硼磁體行業除企業自產的燒結釹鐵硼速凝薄片外，外購薄片數量接近70 kt，而國內現有薄片（專業廠家）產能約60 kt，已處于供不應求的局面。按釹鐵硼磁體年產約15%增長率測算，到2025年我國磁體企業外購或委外加工所需薄片量見表1。

表1 我國企業外購或委外加工所需薄片量kt

由表1可以看出，按照這種增長速度，預計2025年市場需外購的薄片數量將增長至140 kt，屆時薄片產能缺口將達到20 kt，國內大型生產企業薄片需求量預測表詳見表2。

表2 大型釹鐵硼材料生產企業2025年預計薄片外協需求量t

2 生產工藝及設備

經過30多年的研究、開發和應用，釹鐵硼磁體材料在生產工藝和性能優化上都取得了長足的進步。其中，薄片作為釹鐵硼磁體材料生產的主要原材料，其工藝流程和生產設備已經較為成熟。

2.1 工藝流程

生產薄片合金的工藝過程，包括原料預處理、配料、熔煉及速凝、薄片篩選、性能檢測、產品包裝等工序，具體如圖2所示。

圖2 高性能燒結釹鐵硼速凝薄片合金生產工藝流程

首先，將原料純鐵切斷、除銹，再與釹、鐵基合金等按釹鐵硼的生產工藝成分設計要求進行配料，裝入爐內坩堝，在真空和氬氣保護下進行熔煉。熔煉應達到“清、準、凈、均”的要求，即：將所有金屬料完全熔清；確保配料成分準確，符合設計要求；不存在偏析，成分均勻；熔液要純凈，盡量避免雜質進入。熔煉完成后，將熔液逐漸倒在旋轉水冷銅輪上快速冷卻澆鑄，在此過程中，晶體以鱗片柱狀晶生長，制得厚度在0.2~0.4 mm的速凝薄片。主真空室內安裝有薄片破碎系統，薄片澆鑄后進行破碎。薄片冷卻及時、微觀組織均勻，使得薄片質量更高。通過熔煉速凝爐制出的薄片根據工藝要求進行篩選，合格的薄片經性能檢測符合生產要求后包裝入庫，不合格的薄片返回真空熔煉速凝爐重熔。

2.2 主要生產設備

薄片主要工藝設備為真空感應熔煉速凝成型爐。該設備由先進的真空感應熔煉速凝爐和薄片鑄錠澆鑄成型系統兩大部分按照生產工藝和流程組合而成。此設備具有先進的真空熔煉工藝和澆鑄成型工藝，可以國產化，并可穩定生產，其先進性主要體現在以下幾個方面。

1）采用電磁攪拌+惰性氣體攪拌的攪拌方式。在真空感應熔煉速凝爐的初期加熱階段，主要采用的是電磁攪拌技術，電磁攪拌使爐體內的氣體上升到熔液界面并大量析出，從而能有效地去除材料中的氣體雜質，效果良好。為避免對爐襯的沖擊，應選擇合適的攪拌功率。在穩定高溫熔化階段為提高除氣效率，則通入了惰性氣體，以電磁攪拌和惰性氣體攪拌相結合的方式進行除氣攪拌。惰性氣體通過錐形多孔塞進入熔池并穿過熔融金屬。在其靠近金屬液面時，氣體和金屬進行交換反應，從而改善熔池的均勻性；同時，夾雜物漂浮到熔融金屬表面，達到凈化材料的效果。

2）采用可控硅靜止變頻電源作為熔煉電源。目前，真空感應爐設置了可控硅靜止變頻電源。在熔煉過程中，該電源功率可在1%~10%的范圍內平滑調節，操作精確靈活無波動，無需大電流接觸器來調節爐子的功率因數。由于變頻電源的頻率可動態調節，能自動跟蹤適應爐料的變化，在實際生產過程中能有效地提高生產效率，在穩定的電源輸出條件下，設備各工況參數均非常優越。

3）計算機輔助系統得到了充分應用。真空感應熔煉速凝爐配有先進的計算機輔助系統，可以通過實測的溫度與給定的工藝曲線進行比較，調整電源的輸出功率，從而控制熔液的溫度，防止精煉期熔液的溫度過高和過低，實現感應爐的經濟運行。另外，該系統還可以通過對爐內殘余氣體含量的連續測定分析來確定添加元素的最有利順序和添加時間。同時，通過該系統還可測定各工藝參數精煉期的終結點，從而監控爐體的運行狀態，當發生漏氣、漏電和漏水等情況時實現安全報警。

4）采用了先進的薄片鑄錠澆鑄成型系統。薄片鑄錠系統由4個真空室組成，每個真空室均配有單獨的機械泵和羅茨泵，使填料、熔煉、鑄錠和出爐可在不破壞系統整體真空的條件下連續進行。薄片的冷卻也在較小的輔助真空室內進行，使“薄片”澆鑄后即進行破碎，“薄片”冷卻及時、微觀組織均勻，產品質量更高。

3 產品應用市場和發展方向

隨著我國電子信息、交通能源、汽車工業、電力電器、國防軍工等行業的快速發展，對稀土永磁材料，特別是釹鐵硼磁體材料的需求量也在不斷增長。中國已不僅僅是全球釹鐵硼永磁材料的生產大國，更是消費大國[10]。在工業生產上，釹鐵硼磁體材料主要應用于各種儀器儀表、電子設備和自動控制裝置等方面，包括但不限于：1）計算機及通信設備配件，如作為強電與弱電之間的連接器件、散熱器等；2）傳感器和執行機構，如汽車速度表、轉速表和里程表的霍爾元件等；3）永磁體應用材料，如用作驅動器用磁性記錄器、高音喇叭錄音機、錄音機中的磁性鼓片等；4）用作電聲換能器，如消聲器中的軟性磁芯、顯示器上的軟磁性薄膜晶體管，或用于倒車雷達裝置和陀螺儀系統等。

我國稀土資源極為豐富，稀土釹的含量占世界儲量的80%以上。這使得中國成為全球最大的稀土永磁材料生產基地。然而，我國的釹鐵硼磁體生產長期以中低檔產品為主，憑借較低的勞動成本使我國生產的釹鐵硼磁體材料具有更高的性價比，因此得以遠銷歐美國家[11]。近些年來，我國企業引進和自主研發了一些先進設備和工藝技術，已經能夠生產較高性能的產品。例如，通過引入一些國外先進設備，我國已經能生產最大磁能積超過400 kJ/m3的燒結釹鐵硼永磁體。但在高端產品領域，特別是高磁能和高矯頑力產品，我國與發達國家尚有差距。例如，工作溫度在200℃以上的高矯頑力型燒結釹鐵硼材料依然高度依賴進口。因此，筆者認為，生產廠家和科研機構應從制備工藝著手，以滿足下游應用領域需求、促進應用領域發展為出發點，加大材料開發和燒結工藝開發力度。未來釹鐵硼磁體材料產業應在以下幾個方面尋求更大的技術突破：1）進一步優化現有的高性能燒結釹鐵硼永磁材料制備技術或者開發新的工藝技術體系，突破材料矯頑力和最大磁能積的相互抑制關系，實現具有高矯頑力和高磁能積的燒結釹鐵硼永磁材料的開發和產業化，為永磁電機的輕量化和高效率發展提供支撐。2）深入研究高性能燒結釹鐵硼磁體在不同使用環境中的失效機制，通過成分調整、結構優化，進一步提升燒結釹鐵硼磁體的服役特性，降低磁體使用過程中的失效風險和維護保養成本。3）繼續研究開發高性能燒結釹鐵硼磁體制備過程中的綠色環保裝備和技術，特別是新型環保涂鍍層技術的開發和推廣，降低生產過程的環境成本、實現綠色發展。4）研究開發高性能的高豐度稀土永磁材料、低重/無重稀土永磁材料和再生稀土永磁材料，實現稀土資源的均衡、高質化利用，實現行業的可持續發展。