钕铁硼磁性材料发展现状及性能研究

＊孙艳荣 张志鹏 李赛松 肖大庆 高双林 李冬至,

（1.北华航天工业学院 河北 065000 2.华美节能科技集团有限公司 河北 065000 3.中油管道京磁新材料有限公司 河北 065000）

引言

钕铁硼材料（Nd-Fe-B）永磁材料属高性能的稀土材料，从20世纪80年代问世，就凭借其卓越的磁性能快速占领永磁材料市场，拥有着“永磁王冠”的美称，也由于它具备高剩磁、高矫顽力、高磁能积的特点[1]，被广泛应用于新能源汽车、风能发电、节能家电和信息产业等高新技术领域。由于产品和行业应用的不同，钕铁硼磁体材料主要有烧结和粘结两种[2]，近些年，由于稀土原材料的上涨，热压钕铁硼也逐渐被研究发展起来。影响钕铁硼磁体性能的因素有很多，显微组织、磁畴结构和制备工艺都直接决定磁体性能的好坏，本文对不同制备形式的钕铁硼进行工艺介绍，简述钕铁硼磁材料的应用方向，并对提高磁性能的影响因素进行研究探讨。

1.钕铁硼材料研究现状

(1)烧结钕铁硼

自1983年日本助友金属公司发明钕铁硼磁材料后，烧结钕铁硼作为最早的制备工艺，最普适的实用价值，带动稀土永磁材料进入了高速的发展时期，烧结钕铁硼以其强大的磁体各向异性和低成本的原材料投入成为了各国的研究目标。我国作为稀土资源大国，在高新产业和低碳经济的推动下，烧结钕铁硼磁体的产量得到迅猛的增长，特别是制备工艺技术有了长足的发展。近年来，随着烧结钕铁硼在清洁能源、 交通运输和电子信息、自动化和机器人及磁选机、磁性分离及信号传输、传感器等领域中的应用，双高磁性能（高磁能积（BH）max和高内禀矫顽力HcJ）[3-5]磁性成为重要的研发方向，目前理论上的实验参数磁能积达到了64MGOe，矫顽力的理论值为73KOe。

(2)粘结钕铁硼

尽管粘结钕铁硼工业和烧结钕铁硼同期兴起，但是相较而言进展较为滞后。其中的影响因素是多种多样的，主要因素之一是麦格昆磁集团对钕铁硼快淬磁粉所检测的成分和生产工艺具有独特的专利授权制度，对粘结钕铁硼的磁粉产品质量拥有绝对控制权，从而垄断了市场资源。二是由于粘结钕铁硼磁体的磁性能和机械硬度均较低，在实际应用上受到了较大制约，应用范围也并不是烧结钕铁硼那样广泛[6]。粘结钕铁硼磁体一般是各向同性的，最高磁能积不过 16MGOe[7]；另外，由于粘结钕铁硼的生产工艺还有相当的局限，因此用于粘结磁体的快淬磁粉生产能力只能适应较低端市场的应用。目前而言，由于新能源行业的发展，研究制造更高性能的各向异性稀土粘结磁体已成为市场上最新的需求方向[8-9]。

(3)热压/热变形钕铁硼

热压/热变形Nd-Fe-B磁体几乎是与烧结Nd-Fe-B磁体同时研究和开发出来的。首先使用了粉末热压，直接在铸态合金中生产出全密度的各向同性Nd-Fe-B磁体，并运用了Nd-Fe-B的热变形方向原理，发展出了热压/热变形不同方向异性的Nd-Fe-B磁体生产工艺。钕铁硼快淬磁粉可以利用缓慢且大幅度的热压改变诱发相应的晶体选择方向，以便制造高质量的全密度不同方向异性磁体[6,10]，同时又因为其特殊的挤压成形工艺也非常有利于生产高辐射选择性的薄壁型加工磁环。由于目前高热压（热变形）钕铁硼磁体的生产通常采用MQ粉，磁体具有纳米晶（微晶）的结构，在不添加重稀土等材料的情况下仍产生了很大的矫顽力，所以在成本上相比于烧结钕铁硼磁体还具有了一定优势[11]。

2.钕铁硼磁体制备工艺

目前先进的烧结钕铁硼磁体制备工艺有：母合金制备-速凝铸带（SC）技术、制粉-氢爆和气流磨（HD+JM）技术、橡皮模具成型和等静压脉冲磁场成型技术、烧结-多室连续多功能烧结技术、热处理与高压气淬结合、对流加热热处理技术[12]。SC技术具有高效的凝固速率，可快速细化晶粒，但是其缺点是二次加工难度增加且获得的产品质量不高；制粉-氢爆和气流磨（HD+JM）技术主要包括氢破碎和气流磨制粉两个工艺技术环节，其优点是不仅可以得到细小而均匀的粉末，而且还可获得具有优良磁性能的磁体；橡皮模具成型和等静压脉冲磁场成型技术的难点是如何平衡磁场强度和成型压力的关系以获得更高的取向度；烧结-多室连续多功能烧结技术难点是如何适当选取烧结温度并且在开始时刻要注意消除材料的表面应力，还原氧化物并且排除水气，烧结温度过高或过低均不利于优良磁体的获得；热处理与高压气淬结合、对流加热热处理技术的难点是如何有效把握热处理的时间，经过多次回火热处理可以获得高性能的显微组织。通过对磁体制备过程中熔炼工艺、氧含量、粉末颗粒粒度、烧结温度和回火工艺等参数进行详细研究，分析总结其对磁体的性能和耐温性的影响的宽度与广度，进而获得最佳磁体制备工艺参数和方法。

与烧结钕铁硼不同，粘结磁体的单个粉粒需要拥有足够高的矫顽力，一旦高矫顽力所要求的多相组织和显微结构在制粉过程中严重破坏，将无法生产出好的粘结磁体[13]。所以利用熔旋快淬磁粉的方法，首先将炽热的熔炼合金倾倒或喷射到高速旋转的水冷铜轮上，形成厚度为100μm的薄带，由于冷却速度过快，合金薄带完全是非晶态，表现出典型的软磁特性，再经过退火热处理，非晶态合金晶化为平均尺寸30-40nm的纳米晶，以达到稳定良好的永磁特性，由于熔旋快淬方法制成的是多晶粉末，且每个晶粒的易磁化轴没有强烈的排列倾向，磁粉是各向同性的[14]。各向异性磁体粉末是通过氢化-歧化-脱氢-重组（HDDR）制备工艺形成的，首先在真空环境抽到10-6的情况下将Nd-Fe-B合金铸锭升温氢化形成氢化物，进而歧化分解。保持同样的温度将真空再次抽到10-6，合金在真空中脱氢，歧化反应逆向发生，使Nd-Fe-B主相重组，由多个亚微米晶粒构成合金粉末颗粒，合金粉末具有良好的永磁特性。

热压/热变形磁体的制造需要从快淬Nd-Fe-B磁粉开始，而不是直接用铸态合金。采用过淬（冷却速度过快）的条件制备出更细的晶粒甚至是非晶态的磁粉，在热压和热变形过程中让晶粒受热长大到接近单畴尺寸，从而在最终磁体中实现高矫顽力，热压过程是将磁粉装在模具中在高温下施加压强制成各向同性实密度磁体，若将各向同性磁体放到更大口径的加热模具中，在受压方向上变形50%以上，就获得了相当充分的实密度各向异性磁体。

3.钕铁硼磁体的应用

稀土永磁材料作为一种新颖永磁材料，已成为高新技术领域不可或缺的必需品，再加之我国限制稀土的出口使得国内相关企业迎来发展的黄金期，其将会有力促进现代科学技术与信息工业的发展。由于钕铁硼拥有极高的磁能积和矫顽力，并且具有超高能力密度以及更优的性能价格比和更良好的机械特性，目前应用于新能源电机、矿山机械、航空航天等领域[15-17]。

(1)永磁电机

在永磁电机中，利用永磁体进行激磁，不仅可以降低电力消耗，达到节约能源的目的，而且可以改善电机的运行性能。风能作为可再生清洁资源受到人们的普遍重视，驱动风力发电的永磁风力发电机中，烧结Nd-Fe-B是重要的励磁原件，用它来制造同步发电机运行更加稳定，电压变化较低，响应速度快。新能源混合动力车的发电机和电动机均为稀土永磁电机，还有大量使用由Nd-Fe-B磁体制造的微特电机。另外，电子信息方面高性能Nd-Fe-B还用于手机振动电机和电声单元扬声器，电脑硬盘驱动器中的音圈电机（VCM）和主轴电机。

(2)磁力机械

磁力机械利用磁体同极性的排斥力或异极性吸引力来工作，需要永磁体具有高剩磁和高内禀矫顽力，此外，由于异磁极相互吸引的原理，构成磁力传动器以非接触式传动[18]，具有不产生摩擦和噪声的优点。所以高性能Nd-Fe-B磁体广泛用于矿山机械的动轮传动件，人造卫星、宇航器中陀螺仪、涡轮机上的磁性轴承，以及医疗设备辅助心脏工作的血流离心泵的转子轴承等。

(3)航空航天

发射火箭、卫星定位和通信技术都离不开稀土永磁材料。高性能烧结Nd-Fe-B尤其利用在雷达的微波发射/接收系统，利用恒定磁场和微波交变磁场的的共同作用下出现铁磁共振效应，可做成微波环行器、隔离器等。另外，在检测大气层恶劣环境中，传感器技术是核心部件和首要环节，磁性传感器就是利用磁性或者半导体材料的磁电、磁热、磁力等效应来进行检测，钕铁硼稀土永磁材料作为磁路中的传感源，提高了一个不损耗能量的无噪声磁场。

4.钕铁硼磁性能

永磁材料的磁性并非恒定的，在外界干扰下，磁体也会逐渐失去效能。材料化学组分及晶体结构是维持磁体内禀磁性机制的重要条件，而由成分和工艺决定的材料相组成及显微结构会更显著影响这个机制。下面就从磁性能的理化特性、磁化机理以及制备工艺上阐述不同类别钕铁硼材料的永磁特性与其显微结构的关系，讨论如何从制备工艺和成分组织上获得优异的永磁性能。

(1)烧结钕铁硼

研究高性能烧结Nd-Fe-B主要是从高磁能积和高矫顽力等方面展开。事实上，提高磁能积的方法就是提高剩磁。为了达到高剩磁的目的，应尽量提高主相的饱和磁化强度和主相体积比例[19]。在设计成分时，应尽可能使原材料的正分原子比接近2:14:1，另外，在制备时调节工艺参数，提高磁体的取向度和致密度会增大饱和强度。高矫顽力是在提高磁体矫顽力的同时，尽量维持剩磁和磁能积不下降[20]，决定因素取决于两个，一是提高主相的磁晶各向异性场，可以利用重稀土元素替代Nd或利用双合金制备、晶界扩散工艺等使富Nd相分布均匀，从而增大晶粒间的退磁耦合；二是增大材料的不均匀性，可以通过添加低熔点金属湿润晶粒表面或添加高熔点金属细化晶粒，同时产生新相替代富Nd相从而提高矫顽力。

(2)粘结钕铁硼

粘结磁体是由磁粉和粘结剂组成的复合材料，粘结剂所占的体积和磁体内部的孔隙直接影响磁体的剩磁和最大磁能积，而磁粉粒度的粗细会导致内禀矫顽力和退磁曲线方形度的优劣。各向同性粘结磁性以Nd2Fe14B为硬磁主相，采用急冷快淬工艺将各向同性合金粉末纳米化，从而实现高的内禀矫顽力；实现合金晶粒纳米化的另一个途径就是HDDR工艺，若HDDR的工艺恰当，纳米晶粒的c轴将会保持和原来大晶粒的一致，磁粉成为各向异性磁粉。所以，对于各向异性粘结磁体，磁粉易磁化轴的均匀一致取向度是关系到磁性能的关键因素。

(3)热压/热变形钕铁硼

使用热压技术在氩气环境下压制快淬Nd-Fe-B磁粉，就可以得到具有实密度的各向同性磁体，而如果再加以热变形加工各向同性磁体，就能够使得易磁化轴上的取向度达到75%以上，进而生产出实密度各向异性热变形磁体[21]。热压Nd-Fe-B磁体在磁化场较低的区域，热变形磁体的起始磁化率很高，但高磁化率部分的比例很大，剩磁和内禀矫顽力的温度系数都比快淬磁粉大，但少于烧结Nd-Fe-B。热变形Nd-Fe-B的晶粒有很高的取向度，所以退磁曲线的方形度极大提高，从而增大了剩磁和最大磁能积，但大幅降低了内禀矫顽力。

5.结语

尽管我国稀土资源丰富，钕铁硼永磁材料产业较多，但都集中在中低端产品上，这也是今后我国稀土永磁产业领域需要改进和提高的地方。为了实现稀土材料在更多领域，更复杂环境下的应用，获得高性能、耐高温、耐腐蚀、良好机械特性和低成本需求的磁体是我们持之以恒的研究目标。稀土材料钕铁硼永磁材料工业在中国现代经济社会发展过程中占有着关键的战略地位，尤其是日新月异的现代科技以及信息产业化发展将为我国稀土永磁钕铁硼工业提供更为广泛的市场前景。目前全球各国对高性能钕铁硼的研究主要集中在晶界扩散技术和寻找成本更低的制备工艺以及相组织结构上，前期已经取得大量研究成果，本文从钕铁硼的制备工艺以及与磁体特性的关系等方面进行了系统而深入的分析，这些阐述讨论为钕铁硼产业化推广提供了重要的理论支撑和技术引导，但只是研究钕铁硼磁性材料发展趋势上的冰山一角。关于更广泛更深刻的研究内容，应该学习同行中前辈的经验理论，不断创新不断努力，让更优性能的钕铁硼磁材料服务在国民生产上。