稀土永磁材料的技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展

胡伯平，饒曉雷，鈕 萼，蔡道炎

(中科三環(huán)研究院，北京 102200)

1 前 言

世界上磁性最強的稀土永磁材料被廣泛地應用于信息通訊、消費電子、節(jié)能家電、風力發(fā)電、新能源汽車、人工智能及航空航天等許多領域，已經(jīng)成為生產(chǎn)和生活中不可或缺的重要功能材料[1]。

自從1967年第一塊YCo5永磁體問世[2]，稀土永磁家族中1968年出現(xiàn)了第一代1∶5型Sm-Co永磁體[3]，1977年出現(xiàn)了第二代2∶17型Sm-Co永磁體[4]，1983年又出現(xiàn)了第三代稀土永磁材料—釹鐵硼磁體[5,6]。釹鐵硼磁體最大磁能積的理論極限值為64 MGOe，2006年實驗室樣品已達到59.6 MGOe[7]，工業(yè)產(chǎn)品已超過55 MGOe。

自1983年被發(fā)現(xiàn)的三十五年以來，釹鐵硼一直是當今世界上磁性最強的永磁材料。由于制備方法不同，釹鐵硼材料主要分為燒結、粘結和熱壓/熱變形磁體3大類。燒結釤鈷由于其優(yōu)異的耐高溫特性，仍然保持著旺盛的生命力。

經(jīng)過三十多年的研究、開發(fā)和應用，上述三代稀土永磁材料無論在內稟磁性理論方面、磁化反磁化機理方面，還是在稀土永磁體的工藝技術和磁性能方面，都取得了長足的進步。隨著科學技術的日益發(fā)展，各種先進的微觀檢測分析手段也都應用于永磁材料的研究，對稀土永磁材料的磁化和反磁化機理的理解更加深入，促使人們創(chuàng)造了多種制備高性能磁體的新工藝和新方法，也推動了磁體生產(chǎn)設備的不斷改進和升級換代，使得稀土永磁材料綜合磁性能越來越高。

高性價比的釹鐵硼磁體的誕生，為稀土永磁材料開辟了廣闊的應用空間，帶動了稀土永磁產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。特別是進入二十一世紀以來，盡管日、美、歐等發(fā)達國家稀土永磁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緩慢，但中國的稀土永磁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭強勁，使得全球稀土永磁產(chǎn)業(yè)保持了迅猛增長的態(tài)勢，也使我國一直保持全球最大稀土永磁材料生產(chǎn)基地的地位。

2 稀土永磁材料的技術進步

2.1 燒結釹鐵硼

近年來，燒結釹鐵硼技術一直在不斷發(fā)展，磁體的綜合性能穩(wěn)步提升。隨著燒結釹鐵硼在高性能電機中日益廣泛的應用，高磁能積且高工作溫度的磁體成為研發(fā)的核心目標。另一方面，為了提高稀土資源平衡利用水平、降低磁體成本，高豐度磁體也成為具有中國特色的另一個重要研發(fā)目標。新技術主要有以優(yōu)化晶粒邊界為目的的晶界擴散(grain boundary diffusion，GBD)、晶界調控(grain boundary modification,GBM)和雙(多)合金(包括雙主相)等方法，以及以近單疇顆粒高矯頑力為目標的晶粒細化方法。此外，氧含量控制技術的廣泛采用，也為制備高性能燒結釹鐵硼磁體奠定了基礎。

采用上述新工藝后，雙高燒結Nd-Fe-B磁體已經(jīng)被成功開發(fā)和生產(chǎn)。2013年4月，中科三環(huán)發(fā)表文章宣布[8]，采用GBD工藝成功研制雙高燒結釹鐵硼磁體，其室溫磁性能達到內稟矯頑力HcJ=35.2 kOe，最大磁能積(BH)max=40.4 MGOe。2018年6月，信越化學宣布[9]采用細化晶粒技術，將Nd-Fe-B合金粉末研磨至2.6 mm，成功制備出HcJ=17 kOe的無重稀土燒結釹鐵硼磁體；并采用晶界擴散工藝使HcJ增大到 26 kOe(THE RARE EARTH METAL NEWS[日],2018年6月1日)。在低成本方面，鋼研總院和中科三環(huán)采用雙主相方法，分別成功獲得較高性價比的Ce[10]或混合稀土[11]添加燒結釹鐵硼磁體；寧波材料所[12]成功制備出Y添加燒結釹鐵硼磁體。

2.1.1 晶界擴散技術

晶界擴散是指在磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb，再經(jīng)熱處理使重稀土原子沿著晶界的液相擴散，并置換主相晶粒表層中原有的Nd而形成(Nd,Dy,Tb)2Fe14B固溶體，主相晶粒中央并沒有受到太多影響[9]，因此在增強晶粒表層的磁晶各向異性場進而提高內稟矯頑力的同時，對磁體的剩磁和最大磁能積并不產(chǎn)生太大影響[8]。相比傳統(tǒng)的合金化元素添加方法，晶界擴散法可以用更低的Tb，Dy重稀土用量獲得高矯頑力磁體。近年來，晶界擴散技術受到產(chǎn)學研各方關注，先后有濺射法[13,14]、漿液涂覆法[9,15]、氣相沉積法[16]、電泳沉積法[17]、還原擴散法[18]等；處理對象除了主流的釹鐵硼燒結磁體[9,15]外，還有速凝合金片[19]、由速凝片制備的磁粉[20]、快淬磁粉[21]、熱壓/熱變形磁體(MQ-III)[22,23]、HDDR磁粉[24,25]和HDDR粉的熱壓磁體[26]等等；涂覆物除了稀土氟化物、氧化物和其它化合物外，還有稀土金屬或低共晶溫度稀土合金等，稀土金屬主要采用濺射、蒸鍍或高真空升華來涂覆。擴散效果除了內稟矯頑力提高以外，還有電阻率提升等。其中部分技術已經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)。

不同稀土元素R的擴散效果不盡相同，內稟矯頑力HcJ的變化同相應R2Fe14B的磁晶各向異性場Ha直接正關聯(lián)，Tb2Fe14B具有最強的室溫磁晶各向異性場，Tb元素通過晶界擴散對HcJ的提升最為明顯(參見圖1)[27]。

圖1 采用不同稀土元素RFe2粉末晶界擴散后，磁體內稟矯頑力增量ΔHcJ和磁晶各向異性場Ha的關系[27]Fig.1 Dependence of the increase of intrinsic coercivity ΔHcJ on magnetocrystalline anisotropy field Ha for different R elements after GBD process with RFe2 powder[27]

晶界擴散方法受限于磁體厚度，磁體厚度增加時，矯頑力提高的效果就會減弱。由于重稀土Tb，Dy是從磁體表面向內部擴散，因此Tb，Dy在磁體內呈梯度分布。研究結果表明，隨著由表及里距離的增大，Tb，Dy含量逐漸減少，當自磁體表面距離超過5 mm左右時，矯頑力提高的效果就不明顯了(圖2)[28]。一定范圍內不同擴散溫度帶來的差異并不明顯，但經(jīng)過長時間處理(110 h)會降低磁體HcJ提升的效果。

圖2 在不同氟化鋱晶界擴散時間下，磁體內稟矯頑力HcJ的增量隨表面深度的變化[28]Fig.2 Distance dependence of increase in HcJ with different time of GBD treatment[28]

晶界擴散效果具有各向異性，平行于取向方向比垂直于取向方向有更好的擴散通道，因此得到更好的擴散效果，表現(xiàn)在退磁曲線上有更好的方形度[29]。

目前，信越化學、日立金屬、TDK、中科三環(huán)等企業(yè)已經(jīng)在各自的產(chǎn)品目錄列出了采用晶界擴散工藝制備的產(chǎn)品。

2.1.2 晶界調控技術

晶界調控是另一種有效提升矯頑力的技術方案。通過配方和工藝的調整對晶界相進行調控，有望降低晶界相的鐵磁性或使其轉變?yōu)榉氰F磁性，從而起到更好地降低或去除晶粒之間磁性耦合的作用，使內稟矯頑力在現(xiàn)有水平基礎上進一步提高。2014年，Chen等[30]通過電磁感應渦流退火進行晶界調控，使無重稀土細晶粒燒結釹鐵硼磁體的矯頑力由19.01 kOe提高至20.56 kOe。早期研究揭示摻Ga可獲得高矯頑力的燒結釹鐵硼磁體[31-33]，2010年日本昭和電工專利公布了一種高Ga低B配方的磁體，可在不添加或少添加Tb或Dy的情況下獲得高矯頑力(CN102959648)，這使得含Ga燒結釹鐵硼磁體再度受到關注。Sasaki等[34]指出高Ga(原子百分含量0.5%,質量分數(shù)0.52%)低B(5.1%,0.83%)配方燒結釹鐵硼磁體可在不添加Tb或Dy且晶粒沒有特別細的前提下矯頑力達到18 kOe。磁體主相晶粒間的薄層晶界相中稀土含量高達90%，矯頑力大幅度提升的主要原因是在主相晶粒間形成高稀土含量的非磁性晶界相，極大增強了晶粒間的去磁耦合作用。實驗表明，該類磁體對成分和工藝的敏感性較高。

目前，高Ga低B無重稀土合金已經(jīng)用于燒結釹鐵硼生產(chǎn)中，如典型產(chǎn)品N48H(HcJ>17 kOe，(BH)max=45～50 MGOe)。

2.1.3 雙主相技術

自2011年稀土原材料價格巨幅波動以來，La，Ce和混合稀土等又重新引起人們的關注。比較R2Fe14B的內稟磁性，當R為高豐度的La，Ce或Y時，飽和磁化強度Ms、磁晶各向異性場Ha和居里溫度Tc都低于Nd2Fe14B，因此采用常規(guī)的元素替代方法得到的磁體磁性不可避免會下降；另一方面，當Ce替代Nd添加到Nd2Fe14B合金中時，Ce離子表現(xiàn)為+3和+4混合價態(tài)，直接影響到燒結磁體的相組成及微結構，損傷內稟矯頑力。但當采用特定方法時[1,35]，仍可以制備出可實用高豐度的燒結磁體。

朱明剛和李衛(wèi)等[10]采用雙主相方法，用速凝工藝分別制備Nd-Fe-B和(Ce-Nd)-Fe-B合金，并成功制備出(Nd1-xCex)30(Fe,TM)69B1燒結磁體，即使在x=0.3 時，仍具有實用性能[HcJ=9.3 kOe，(BH)max=43 MGOe]。中科三環(huán)鈕萼等[11]采用白云鄂博礦的混合稀土替代20%的Pr-Nd制成燒結Nd-Fe-B磁體，其室溫磁性能為HcJ=10.7 kOe，(BH)max=34.0 MGOe。

由于Ce元素很豐富，且金屬Ce的價格僅為金屬Nd的十分之一左右，Ce添加燒結磁體具有一定的成本優(yōu)勢，已在兒童玩具、箱包扣等方面獲得大量應用。

2.1.4 晶粒細化技術

細化晶粒是提高矯頑力的另一個重要途徑。經(jīng)Sepehri-Amin等的微磁學模擬[36]，減小晶粒尺寸可以減小散磁場，即可以降低局部有效退磁因子Neff，從而提升內稟矯頑力HcJ(HcJ=αHa-NeffMs，α為顯微結構參數(shù))。在細化晶粒方面已經(jīng)做了很多工作，包括減小速凝(SC)合金片的晶粒尺寸、采用氫化歧化(HDDR)結合氫破碎(HD)和氣流磨(JM)制粉[37]、氣流磨磨粉方式改變或介質從氮氣改為氦氣、工藝過程的無氧/低氧控制[38]、低溫多場燒結等等。

Ding等[39]采用HDDR+HD和N2-JM制成粒度為1 μm以下的磁粉，燒結磁體HcJ達14.72 kOe，由于晶界富Nd相分布不連續(xù)，并沒有達到理想的矯頑力，技術上仍有待突破。

近年來，新型靶式氣流磨在工業(yè)生產(chǎn)中嶄露頭角。同傳統(tǒng)的可控流化床對撞式氣流磨相比，靶式氣流磨可以使合金粉末粒度更小、分布更窄，且磨體中存料更少，更有利于高性能燒結釹鐵硼制備。通過將氣流磨中工作介質氮氣改變?yōu)楹?，釹鐵硼合金粉末粒度可以小到1.1 μm[38]；在后道工序中為了避免細粉氧化，Une 和Sagawa等[38]發(fā)明了無壓機成型工藝(PLP)，對氦氣氣流磨得到的D50為1.1 μm的粉末進行壓制、取向和燒結，無重稀土磁體HcJ達到20 kOe。

2.2 粘結釹鐵硼

粘結稀土永磁材料是永磁材料領域不可或缺的一個分支，是燒結稀土永磁材料的一個重要補充。粘結磁體具有磁性能一致性好、尺寸精度高、形狀復雜、渦流損耗小、適合多極充磁(特別是多極充磁磁環(huán))、易與金屬/塑料零件一體成形等優(yōu)點，在精密電機和傳感器中扮演著重要的角色。粘結稀土永磁材料以各向同性釹鐵硼粘結磁體為主，各向同性粘結釤鐵氮磁體和各向異性粘結稀土磁體正在開發(fā)之中。根據(jù)粘結劑的不同加工特性，粘結磁體成形方式可分為壓縮、注射、擠出和壓延4種。

2.2.1 各向同性磁粉和粘結磁體

粘結磁體是磁粉和粘結劑構成的復合體系，采用快淬方法制備的各向同性釹鐵硼磁粉是粘結稀土永磁市場的絕對主力。長期以來，麥格昆磁公司(MQI)通過專利和技術壟斷控制粘結磁粉市場。2014年7月MQI磁粉成分及工藝專利到期，“十二五”863計劃提前布局，2011年將高性能磁粉的國產(chǎn)化列為重大課題，通過系統(tǒng)研究成分、制備工藝、顯微結構等要素，我國稀土永磁企業(yè)也探索出了制備高性能磁粉的途徑，(BH)max達到17.5 MGOe。新修訂的GB/T 20168-2017《快淬釹鐵硼永磁粉》國家標準，全面提升了產(chǎn)品磁性能，已于2018年5月1日正式頒布和實施。

各向同性快淬釤鐵氮磁粉的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化也有突破，已經(jīng)形成批量供貨能力，國產(chǎn)快淬釤鐵氮磁粉的居里溫度TC和永磁特性明顯高于釹鐵硼磁粉，大同制鋼的Nitroquench磁粉(BH)max高達20.6 MGOe。

在4種成形方式中，壓縮成形磁體性能最高、性價比最優(yōu)，是粘結稀土永磁產(chǎn)品的主流。進一步提高磁性能，一直是研發(fā)的主要方向。倪狄[40]利用溫壓成形工藝，在80 ℃制備出密度6.62 g·cm-3、(BH)max= 12.71 MGOe的高性能磁體。日立金屬采用高壓技術，開發(fā)出牌號為HIDENSE的超高密度磁體[41]，密度6.3～6.4 g·cm-3，(BH)max=12.3～13.6 MGOe。中科三環(huán)也已經(jīng)制備出密度6.4 g·cm-3的壓縮磁體樣品，達到與日立金屬相當?shù)乃健?/p>

為滿足大容量云存儲和汽車電機的需求，中科三環(huán)和成都銀河進一步優(yōu)化了壓縮成形工藝，HDD主軸電機用磁體的動平衡扭矩改進到6 mg·cm以內，車載電機磁體長度/壁厚比擴展到20。

在注射成形方面，中科三環(huán)開展了以耐高溫塑料聚苯硫醚(PPS)為主粘結劑的注射成形顆粒料制備技術和磁體成形技術的開發(fā)，開發(fā)出磁體和金屬或塑料件一體成形的部件，產(chǎn)品成功應用于變頻空調、汽車傳感器、水泵及油泵。

在擠出成形技術方面，中科三環(huán)通過篩選出良好的加工助劑和配方體系，制備出直徑Φ54.5 mm、壁厚0.7 mm、長1500 mm的管狀磁體，性能達到HcJ=9.36 kOe，(BH)max=11.10 MGOe。

2.2.2 各向異性磁粉和粘結磁體

各向異性粘結稀土永磁體是一個歷史悠久但又亟待開發(fā)的重要分支。傳統(tǒng)的粘結Sm-Co磁體就是各向異性的，目前還一直維持著生產(chǎn)，磁粉是由Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17合金經(jīng)脫溶硬化處理獲得的，最高性能磁體(BH)max=16～17 MGOe。過去幾年日本和我國采用氫化歧化 (HDDR)工藝制備釹鐵硼磁粉和氣固相反應制備釤鐵氮或釹鐵氮磁粉均有進步，全球年產(chǎn)量已達到1000噸左右。日本住友金屬礦山采用還原擴散加氮化工藝生產(chǎn)的釤鐵氮磁粉，實驗室水平達到：Br=14.4 kGs，HcJ=11.50 kOe，(BH)max=43.61 MGOe。日亞化學對釤鐵氮磁粉進行磷化處理，在保持剩磁不變的前提下提高了矯頑力，磁體在150 ℃放置1000 h的磁通不可逆損失小于5%。北京科技大學、北京大學、大連凱祥和北礦磁材等單位也開展了廣泛而深入的HDDR工藝研究。北京科技大學批量制備的HDDR釹鐵硼磁粉，(BH)max達到39.96 MGOe。北京大學楊應昌[42]采用合金熔煉-粗破碎-氮化-研磨工藝，開發(fā)的Sm-Fe-N磁粉(BH)max達到35～40 MGOe，并且建立了百噸級產(chǎn)業(yè)化示范線。MQI將熱壓/熱變形工藝制備的各向異性釹鐵硼磁體破碎，即可制成各向異性磁粉(MQA磁粉)，(BH)max=36～40 MGOe，磁粉大致呈片狀，且與磁化軸與片狀粉平面的法線基本平行，可通過機械力達到受力方向的部分取向。

在各向異性粘結稀土永磁體領域，磁體制造技術欠發(fā)達嚴重制約了其發(fā)展。目前全球僅有日本愛知制鋼及其轉讓技術的臺灣天越可以批量供應各向異性粘結稀土永磁體產(chǎn)品，主要用于汽車座椅調節(jié)電機。愛知制鋼近年來還進行了注射成形釹鐵硼-釤鐵氮復合磁體的開發(fā)，(BH)max=16.5～17.5 MGOe[43]。日亞化學也在注射磁體中采用釹鐵硼-釤鐵氮混用技術，提高磁體的磁粉填充比和密度，實驗室磁體(BH)max達到21.99 MGOe，批量產(chǎn)品(BH)max為17.97 MGOe。北京科技大學采用室溫預成形和中溫取向密實化的兩步溫壓成形法[44]，制備的磁體(BH)max比常規(guī)溫壓成形提高25%，達到14.95 MGOe；北京大學制備的磁場取向注射成形釤鐵氮磁體(BH)max達到了12 MGOe。

2.2.3 增材制造粘結稀土磁體

近年來，3D打印技術受到密切關注并在諸多領域飛速發(fā)展。采用3D打印制備粘結磁體，不僅可以應對奇特形狀，而且能得到常規(guī)制備手段無法企及的特殊結構或性能。

Huber等[45]采用粒度50 mm左右的MQP-S霧化球形磁粉，以體積分數(shù)為55%的比例與尼龍11混煉制成Φ1.75 mm的絲材，再用熔融沉積建模法(FDM)制備各向同性磁體，磁體孔隙率高達23.5%。Li等[46,47]將200 mm以下的片狀MQP-B+磁粉以體積分數(shù)為65%的比例與尼龍12混煉制成顆粒料，然后將顆粒料通過FDM法制備各向同性磁體，孔隙率雖然降到7.7%，但比注射磁體的2%～3%仍高不少。Paranthaman等[48]采用粘結劑噴射的3D打印工藝，先平鋪一層70 mm左右的片狀MQP-B磁粉，再噴射一層粘結劑并略微干燥，如此往復，最后經(jīng)固化處理制備出磁粉含量46%(體積分數(shù))、孔隙率14.5%的磁體。Compton等[49]將體積分數(shù)為40%的120 mm以下類片狀MQA 38-14磁粉與環(huán)氧類粘結劑混合制成懸濁液，采用噴墨打印的層積方式制備出孔隙率約為17%各向同性粘結磁體。

2.3 熱壓/熱變形釹鐵硼

利用熱壓/熱變形工藝可將納米晶磁粉(如快淬Nd-Fe-B磁粉)制備成各向同性的致密磁體(MQ-II磁體)和各向異性的致密磁體(MQ-III磁體)。釹鐵硼快淬磁粉可以通過緩慢而大幅度的熱壓變形誘發(fā)晶體擇優(yōu)取向，制成優(yōu)異的全密度各向異性磁體，而且很適合制造輻射取向薄壁磁環(huán)。MQ-III最具市場吸引力的是，其獨有的片狀納米晶結構可以在無重稀土Tb或Dy時實現(xiàn)高HcJ，并且可以運用背擠出成形工藝實現(xiàn)近終形、薄壁、輻射取向磁環(huán)的生產(chǎn)，因此絕大多數(shù)產(chǎn)品都是輻射取向磁環(huán)，應用于汽車電動助力轉向(EPS)電機和機器人伺服電機。目前研發(fā)的熱點，一是結合工藝優(yōu)化或晶界擴散技術進一步提高HcJ；另一個是開發(fā)單一取向板塊狀磁體的前擠出工藝，與燒結釹鐵硼磁體競爭。

背擠出成形工藝主要包含快淬釹鐵硼磁粉冷壓、熱壓至實密度和背擠出熱變形取向3個步驟。在采用背擠壓熱變形壓制方法時，磁粉在上下壓頭的壓力作用下在底部形成取向織構，并均勻地轉換成側壁的徑向取向，所以這是制造輻射取向薄壁圓環(huán)較為理想的方法。在同等HcJ條件下，MQ-III磁體中的Dy含量比常規(guī)燒結釹鐵硼磁體低3%～5%(質量分數(shù))，但通過晶粒細化結合晶界擴散燒結釹鐵硼磁體也可以將Dy含量降低到與MQ-III磁體相同的水平。北京鋼鐵研究總院和中科院寧波材料所，近年來在國內率先進行了MQ-III技術的開發(fā)，成功制備出了(BH)max=42 MGOe的輻射取向環(huán)。2010年7月，日本大同電子(大同制鋼全資子公司)宣布開發(fā)成功省Dy型輻射環(huán)ND-43SHR [HcJ=20 kOe，(BH)max=43 MGOe]。2018年大同電子發(fā)布了消息[50]，運用前擠出工藝生產(chǎn)的熱變形取向塊狀磁體，磁性能達到輻射環(huán)ND-43SHR水平，應用于本田混合動力汽車驅動馬達。

Castle等[51]開發(fā)了快速放電等離子體燒結(Flash-SPS)技術，磁體的晶粒尺寸比常規(guī)MQ-III更細小，HcJ達到20 kOe。Mouri等[52]提出了兩步熱變形工藝，第一階段變形量e1=0～50%，第二階段變形量e2=70%，使得磁體主相晶粒更為細小，取向度提高，磁性能更佳。劉穎等[53]設計出快速升溫熱壓/熱變形裝備，制備出公斤級MQ-III磁體，Br=15.2 kGs，(BH)max=51.65 MGOe。

2018年豐田開發(fā)出La-Ce部分替代Nd的熱壓磁體[52]，通過熔融快淬細化晶粒、熱擴散Nd70Cu30液體形成高Nd殼層、優(yōu)化La/Ce比例為1∶3等方法，使得磁體在130～200 ℃下矯頑力比含4%(質量分數(shù))Dy的常規(guī)磁體更高，具有不含Dy和Tb、Nd用量低(省Nd約20%～50%)等優(yōu)點。

2.4 燒結釤鈷

燒結Sm-Co磁體因其具有遠高于Nd-Fe-B的工作溫度和相對更優(yōu)異的耐蝕性，在航空、航天、國防和高能物理等特殊領域發(fā)揮著Nd-Fe-B無法取代的作用。

燒結釤鈷磁體的耐高溫特性一直是研發(fā)工作的一個重要方向，當前主要針對耐高溫燒結2:17型釤鈷磁體，通過調整成分、優(yōu)化工藝條件從而提高磁體的矯頑力，進而提升磁體的使用溫度，并且保持較高的磁性能。2017年，鞏劭廷等[54]成功制備燒結釤鈷磁體，在500 ℃下HcJ=7.59 kOe，(BH)max=10.96 MGOe；2018年，鋼研集團Yu等[55]對釤鈷磁體中的Fe和Cu含量進行調整，并采用階段性的慢速冷卻，獲得的磁體在500 ℃下HcJ=6.3 kOe，(BH)max=12.40 MGOe。最高工作溫度達550 ℃的高溫Sm-Co磁體也已被開發(fā)和生產(chǎn)，其室溫磁性能為：HcJ=25.4 kOe，(BH)max=16.0 MGOe，HcJ在550 ℃時仍能達到6.34 kOe[55]。

近年來兼有高磁能積和高矯頑力的2∶17型燒結Sm-Co磁體也不斷取得進展。NEC TOKIN公司的Machida等[56]成功獲得高性能Sm-Co磁體：室溫下(BH)max為34 MGOe，HcJ為23.5 kOe。鋼研總院Song等[57,58]獲得高性能Sm-Co磁體：室溫下(BH)max=32 MGOe，HcJ=31.5 kOe。寧波材料所Feng等[59]獲得高性能Sm-Co磁體：室溫下(BH)max=31.74 MGOe，HcJ=24.03 kOe。

3 稀土永磁材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國的稀土永磁產(chǎn)業(yè)起步于1969年，到20世紀八十年代初規(guī)模還很小。由于第一代和第二代釤鈷磁體的高成本，加之國內市場的需求又相當有限，所以沒有出現(xiàn)生產(chǎn)釤鈷磁體的大企業(yè)，而只有一些研究所里的小廠生產(chǎn)一些釤鈷磁體，以滿足我國軍事工業(yè)的需要。這些小廠的生產(chǎn)能力從1噸/年至5噸/年不等。到80年代初，我國釤鈷永磁整體生產(chǎn)能力僅達到20噸/年左右。

至1983年底，全國稀土永磁生產(chǎn)廠家不到10個。隨著第三代稀土永磁釹鐵硼磁體的發(fā)現(xiàn)，在1985年以后涌現(xiàn)出大量的生產(chǎn)企業(yè)。1985年4月，中國科學院三環(huán)新材料研究開發(fā)公司(1993年更名為“北京三環(huán)新材料高技術公司”，簡稱“三環(huán)公司”)在北京創(chuàng)立。1986年8月，三環(huán)公司在寧波設立了我國第一個燒結釹鐵硼工廠——三環(huán)寧波磁廠，后更名為“寧波科寧達工業(yè)有限公司”(簡稱“寧波科寧達”)，奠定了我國燒結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。經(jīng)過30余年的發(fā)展，寧波已經(jīng)成為全球最大的稀土永磁生產(chǎn)基地。

進入二十一世紀后，以燒結釹鐵硼磁體為代表的全球稀土永磁材料產(chǎn)量進入高速增長時期。我國已經(jīng)成為全球最大的燒結釹鐵硼、粘結釹鐵硼和燒結釤鈷生產(chǎn)基地，產(chǎn)量超過全球的85%。

3.1 燒結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)

燒結釹鐵硼磁體以其高性能、低成本的特點，一經(jīng)出世就得到廣泛應用并持續(xù)發(fā)展。圖3給出了全球燒結釹鐵硼磁體逐年的成品產(chǎn)量變化，它反映了全球各地釹鐵硼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況。從圖中可以看出，燒結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展可分為兩個階段：1987～2002年為第一個15年，增長率高(中國和全球的年平均增長率分別為46.8%和31.7%)，但體量小，中國和全球的年平均成品產(chǎn)量增長分別為590噸和1030噸；2002～2017年為第二個階段，增長率放慢(中國和全球的年平均增長率分別為17.8%和14.5%)，但體量放大，中國和全球的年平均產(chǎn)量增長分別為6310噸和6920噸。進入二十一世紀以來，盡管日、美、歐等發(fā)達國家燒結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展減緩，但由于中國燒結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)的超常發(fā)展，使得全球稀土永磁產(chǎn)業(yè)依然保持了迅猛增長的態(tài)勢。2017年，我國燒結釹鐵硼成品產(chǎn)量為10.4萬噸，比上一年增長8.8%；全球產(chǎn)量12萬噸左右，我國占全球份額的87%。

由于我國釹鐵硼產(chǎn)業(yè)的突飛猛進，國外稀土永磁產(chǎn)業(yè)不斷整合和調整，目前僅存5家大的釹鐵硼企業(yè)：歐洲1家，德國的真空熔煉公司(VAC)，生產(chǎn)工廠在兩個地方：一個在德國的Hanau (VAC總部)，另一個是在芬蘭的Pori (Neorem公司)；日本有4家，日立金屬、信越化工、TDK和大同制鋼。近年來的發(fā)展趨勢是，歐洲和日本的企業(yè)均逐步在中國布局。中科三環(huán)與日立金屬在江蘇南通市啟東市設立合資公司“日立金屬三環(huán)磁材(南通)有限公司”，于2017年4月開始供貨。

圖3 全球燒結釹鐵硼成品年產(chǎn)量Fig.3 Annual production output of sintered Nd-Fe-B finished magnets in the world

中國現(xiàn)有燒結釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)170家左右，年產(chǎn)能力超過30萬噸，主要分布在滬浙、京津、山西、包頭、贛州和山東6大地區(qū)。2017年燒結釹鐵硼產(chǎn)量統(tǒng)計表明，浙江地區(qū)占40%，京津地區(qū)占11%，山西地區(qū)占10%，包頭地區(qū)占9%，江西地區(qū)占8%，山東地區(qū)占9%，其它地區(qū)占13%。按磁體產(chǎn)量計，年產(chǎn)量3000噸以上的企業(yè)占7.5%，年產(chǎn)量1500～3000噸的企業(yè)占8.5%，年產(chǎn)能1500噸以下的企業(yè)占84%。前25家企業(yè)的產(chǎn)量份額占全國的58%。中科三環(huán)是我國最大的燒結釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)，其它代表性的企業(yè)還有寧波韻升、煙臺正海、煙臺首鋼、江西金力、包頭天和、中磁科技、廈門鎢業(yè)、北京京磁、安泰科技、安徽大地熊等。

3.2 粘結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)

雖然粘結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)與燒結釹鐵硼同時起步，但體量較小，產(chǎn)量不足燒結釹鐵硼磁體的十分之一。麥格昆磁(Magnequench)公司于2000年將工廠從美國印第安納搬到了中國天津，它不僅依靠強大的專利壟斷占據(jù)了80%以上的市場份額，而且以成熟的技術控制著高性能釹鐵硼磁粉的供應。近幾年，MQ磁粉的產(chǎn)量為6000噸左右，其中的五分之四用于制備粘結磁體，五分之一左右用于制備熱壓/熱變形磁體。2014年7月以來，由于麥格昆磁持有的專利到期，國內企業(yè)快淬Nd-Fe-B磁粉紛紛進入市場，2017年國內磁粉產(chǎn)量達到了3500噸。中科三環(huán)的磁粉年產(chǎn)能力已達到400 噸，磁性能達到MQ粉的標準。國內從事釹鐵硼磁粉生產(chǎn)的企業(yè)有15家左右，其它代表性廠家還有江西鎢業(yè)、浙江朝日科、綿陽西磁和沈陽新橡樹等。

全球粘結釹鐵硼磁體的生產(chǎn)廠家大部分集中在中國、日本和東南亞，國內的企業(yè)有30余家。規(guī)模大的代表性企業(yè)有成都銀河、上海三環(huán)(中科三環(huán)控股子公司)、日本大同電子、日本美培亞、臺灣天越、海美格(安泰科技)、寧波韻升、英洛華、喬智、廣東江粉等。硬盤和光盤驅動器主軸電機應用的粘結釹鐵硼磁體主要由上海三環(huán)、大同電子和成都銀河3家企業(yè)生產(chǎn)。圖4給出了全球粘結釹鐵硼磁體年產(chǎn)量增長情況。從圖中可以看出，過去20年中我國粘結釹鐵硼產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，其它國家或地區(qū)的產(chǎn)量變化不大。2002～2017年的15年期間，中國和全球的年平均增長率分別為10.1%和5.6%、年平均產(chǎn)量增長分別為337和313噸。2017年，我國粘結釹鐵硼產(chǎn)量為6600噸，比2016年增長10%左右，占全球份額的76%。2007～2017年的10年間，我國年均增長率為8.2%，全球年均增長率為6.0%。

圖4 全球粘結釹鐵硼磁體年產(chǎn)量Fig.4 Annual production output of bonded Nd-Fe-B magnets in the world

3.3 熱壓/熱變形釹鐵硼產(chǎn)業(yè)

在熱壓/熱變形釹鐵硼產(chǎn)業(yè)方面，麥格昆磁依然是快淬磁粉的唯一供應商，日本大同電子則是全球最大的MQ-III磁體生產(chǎn)企業(yè)。大同電子目前的主要產(chǎn)品是輻射取向環(huán)，主要應用是EPS電機，少量用于機器人伺服電機。近期，大同電子正在試制MQ-III方條磁體，擬應用于本田電動汽車或混合動力汽車。大同電子2017年的MQ-III磁體產(chǎn)量為800噸左右。在國內，在“十二五”“863”項目的支持下，寧波金雞與中科院寧波材料所合作，建立了MQ-III磁環(huán)小批量生產(chǎn)線；成都銀河于2012年3月開啟MQ-III項目，首期投資3800萬元建立年產(chǎn)300噸MQ-III磁體的生產(chǎn)及后加工，2017年產(chǎn)量約20噸。中科三環(huán)正在積極開展MQ-III磁體的研發(fā)。

3.4 燒結釤鈷產(chǎn)業(yè)

釤鈷永磁材料的國外生產(chǎn)企業(yè)主要有日本TDK、美國電子能源(EEC)、美國阿諾(Arnold)、德國真空熔煉(VAC)和俄羅斯托尼等；我國的企業(yè)有寧波寧港、杭州永磁集團、成都航天和綿陽西磁等。目前，由于具有耐高溫的特點，燒結釤鈷磁體的應用難以替代，年產(chǎn)量也比較穩(wěn)定。2017年我國燒結釤鈷磁體成品產(chǎn)量為1700噸，占全球產(chǎn)量80%以上。

綜上所述，2017年全球稀土永磁材料的成品產(chǎn)量為13.1萬噸，其中燒結釹鐵硼磁體占91.4%，粘結釹鐵硼磁體占6.7%，熱壓/熱變形釹鐵硼磁體占0.6%，燒結釤鈷磁體僅占1.3%(見圖5)。

圖5 2017年各類稀土永磁材料全球產(chǎn)量的份額Fig.5 Production output share of different types of rare-earth permanent magnets in the world in 2017

4 結 語

稀土永磁材料已經(jīng)廣泛應用于電子信息、汽車工業(yè)、醫(yī)療設備、能源交通等眾多領域。同時，隨著科技發(fā)展和技術進步，在很多新興領域，稀土永磁材料也展現(xiàn)出廣闊的應用前景。特別是在低碳經(jīng)濟席卷全球的大勢之下，世界各國都在把環(huán)境保護、低碳排放作為關鍵科技領域給予關注。改善能源結構、發(fā)展再生能源、提高效率、節(jié)能減排、倡導低碳生活等綠色發(fā)展理念為稀土永磁材料在風力發(fā)電、新能源汽車、節(jié)能家電、智能制造等方面提供了廣闊的市場空間，同時也對稀土永磁材料的發(fā)展提出了更高的要求。

對于燒結釹鐵硼磁體，一方面研發(fā)高性能磁體仍然是技術發(fā)展的重要目標。通過合理調整配方，調控或優(yōu)化晶粒邊界、細化晶粒等技術，在保持高磁能積(或高剩磁)的條件下，進一步提高磁體內稟矯頑力。另一方面，進一步開展La，Ce，Y等高豐度稀土添加燒結釹鐵硼永磁材料的研發(fā)，促進稀土資源的平衡利用。表面防護處理技術也將進一步發(fā)展，以適應不斷拓展的應用需求，耐高溫高濕、耐高低溫沖擊、絕緣、耐磨等將不斷充實釹鐵硼防護的概念。產(chǎn)業(yè)方面，進一步提升生產(chǎn)自動化水平，提高產(chǎn)品質量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品性價比。

對于粘結釹鐵硼磁體，進一步提高國內企業(yè)生產(chǎn)的各向同性釹鐵硼磁粉的性能，加快各種粘結磁體新技術和新產(chǎn)品的開發(fā)，比如混煉技術、高精度磁體制備技術、金屬/塑料高復合度成形技術等，以滿足新能源和智能駕駛汽車方面的應用；另一方面，進一步開展高性價比的各向異性磁體成形技術的開發(fā)，以滿足一些特殊的需求。

當重稀土元素Tb和Dy的價格昂貴(目前金屬Tb的價格是Nd的10倍左右)時，熱壓/熱變形釹鐵硼磁體同高矯頑力燒結釹鐵硼磁體相比仍有一定競爭優(yōu)勢。我國需要盡快突破熱壓/熱變形釹鐵硼制備的關鍵技術，早日實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

進一步加強稀土永磁材料的研發(fā)創(chuàng)新，加強產(chǎn)學研用結合，充分發(fā)揮我國在資源、人才和技術諸方面的綜合優(yōu)勢，實現(xiàn)實質性突破，使我國稀土永磁材料能保持持續(xù)發(fā)展。進一步高效利用稀土，積極開展各種應用產(chǎn)品中稀土永磁材料的回收利用。保持稀土價格相對穩(wěn)定。稀土永磁材料的成本構成中，稀土原材料的價格占有舉足輕重的地位，相對穩(wěn)定的稀土原材料價格對于稀土永磁產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展是非常重要的。

展望未來，伴隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的孕育興起，智能制造、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)機器人、新一代環(huán)保智能汽車等將蓬勃發(fā)展，在這巨大的歷史洪流中，作為支撐產(chǎn)業(yè)變革的關鍵性功能材料，稀土磁性材料將不斷迎來新的發(fā)展機遇和增長空間。

致謝：在本文的寫作過程中得到了中科三環(huán)研究院朱偉、秦國超、王聰聰、黃曉林、陳治安等在資料收集方面的幫助，在此謹表謝意。