我國粘結(jié)釹鐵硼永磁材料的技術發(fā)展及應用現(xiàn)狀

申亞蘭

我國因有著得天獨厚的稀土資源優(yōu)勢，已成為了全球最大的稀土供應國。目前，全球稀土功能材料中稀土永磁體90%以上的產(chǎn)能集中在我國，稀土永磁產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、改革發(fā)展也步入了攻堅階段。當下，將稀土及其功能材料的供應優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為行業(yè)領航優(yōu)勢、發(fā)展綠色節(jié)能環(huán)保的稀土產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟、主導產(chǎn)業(yè)規(guī)則制定，成為我國鞏固和加強作為稀土大國國際地位的重要責任。釹鐵硼（NdFeB）永磁材料是稀土永磁材料的代表，根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，可分為燒結(jié)、粘結(jié)和熱壓3種，粘結(jié)釹鐵硼永磁體的磁性能雖然不如燒結(jié)釹鐵硼高，但其生產(chǎn)工藝相對簡單、成本低、體積小、精度高、磁場均勻穩(wěn)定、材料利用率高等綜合優(yōu)勢。本文將對粘結(jié)釹鐵硼快淬磁體的工藝特點、行業(yè)發(fā)展概況和應用等，進行詳細綜合報導。

1 NdFeB快淬磁粉的技術發(fā)展

1.1 NdFeB快淬磁粉的生產(chǎn)設備

粘結(jié)釹鐵硼永磁體是將釹鐵硼快淬磁粉與高分子材料及各種添加劑均勻混合，再用模壓或注射成型工藝制成的磁體，其性能主要由NdFeB快淬磁粉的性能決定，目前制備NdFeB快淬磁粉的工藝方法有2種：真空電弧重熔溢流快淬法（電弧式法）和真空感應重熔單輥快淬法（感應式法）。20世紀80年代中期，國內(nèi)多家研究機構(gòu)和大學相繼開展了快淬NdFeB材料的研究工作，研究水平與國外差距不大幾乎同步。但真空感應重熔快淬裝備和工藝的核心技術卻始終未獲突破，導致無法進行產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。迫于此國內(nèi)只好另辟蹊徑進入真空電弧重熔溢流法（電弧式法）研究。其工作原理是將合金鑄錠破碎成3～10mm的顆粒，裝入快淬爐中起弧熔化，熔液飛濺到快速旋轉(zhuǎn)的輥輪上，甩成厚30～50μm、寬1～30mm的非晶薄帶，然后球磨破碎成粉再進行晶化處理。1991年初西南應用磁學研究所（中電九所）成立專門課題組由申緒方高工帶領與中國核動力研究設計院合作，首先研制成功了制備快淬磁粉的真空電弧快淬爐，之后課題組繼續(xù)開展相關生產(chǎn)工藝技術研究，確定了“釹鐵硼鈷鋯”這一材料組分，生產(chǎn)出了磁能積大于64kJ/m3（8MGOe）的粘結(jié)快淬磁粉和相應的磁體[1]；并于1993年率先建成了國內(nèi)第一條快淬釹鐵硼磁粉中試生產(chǎn)線，快淬磁粉的最大磁能積達到72kJ/m3（9MGOe）。由于電弧式法投資低、技術和操作相對簡單，在快淬磁粉發(fā)展初期，國內(nèi)企業(yè)大多采用的是該技術。二十多年來，經(jīng)過磁粉生產(chǎn)廠家與設備制造廠家共同協(xié)作并持續(xù)不斷改進升級，目前該項工藝和設備等技術已十分成熟。單臺快淬爐的月產(chǎn)量已提高至上百千克，年產(chǎn)量可達100多噸；動態(tài)連續(xù)晶化爐的年處理量可達150～200t，同時磁粉的性能也逐步提升，最大磁能積可達到104kJ/m3（13MGOe）[2]，而2臺設備售價不超過80萬元，電弧式法達到了工業(yè)化生產(chǎn)水平。

感應式法由于當年被美國專利限制，只有位于天津的美國麥格昆磁公司（MQI）一家擁有，其重要生產(chǎn)設備（真空感應快淬爐）也由MQI公司控制。其主要工作原理是將合金鑄錠重新熔煉，高溫熔液被澆到一個高速旋轉(zhuǎn)的輥輪上，在絕對真空中甩出薄帶，然后薄帶會集中落入一個專門的破碎腔中進行破碎，最后破碎粉進入晶化爐中晶化。整個過程可連續(xù)生產(chǎn)幾十甚至上百小時，同時還可在線取樣檢測，大大提高了生產(chǎn)效率。采用該感應式法生產(chǎn)出來的磁粉性能最大磁能積可達到（BH）max=128kJ/m3（16MGOe）。就是這3MGOe的差距，我國粘結(jié)磁粉的高端市場被MQI壟斷了20多年，直到2014年底專利到期，MQI在高端市場的壟斷份額才被打破，但MQI仍憑借著成熟的技術控制著高端磁粉在中國市場的供應，如麥格昆磁磁粉牌號MQP—B粉（最大磁能積15MGOe）和MQP—B+粉（最大磁能積16MGOe）。在美國專利到期之后，國內(nèi)能夠制造真空感應快淬爐設備的廠家逐漸成立起來，目前有3、4家的制造技術比較成熟，單臺爐子的價格由最初的一千多萬元降到了五百多萬元，制備出來的磁粉性能普遍已能達到15MGOe，有的廠家能做到16MGOe。該感應式快淬爐最大的優(yōu)勢就是可以連續(xù)生產(chǎn)幾十甚至上百小時，每24h可產(chǎn)出2t粉，開爐一次最多可產(chǎn)出10t，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，這是電弧快淬爐無法比擬的，而正因為如此，高端磁粉的單位成本也隨之下降，其價格與中低端磁粉價格已相差不大，目前國內(nèi)許多磁粉生產(chǎn)企業(yè)都同時具備電弧爐和感應爐。

1.2 NdFeB快淬磁粉的材料組分

電弧式法的材料組分為Nd—Fe—鈷（Co）—B—鋯（Zr），其中Zr是國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的磁粉所具有的獨特標識。Zr的加入可使磁粉的各項性能有大幅度提高，有利于提高內(nèi)稟矯頑力（Hcj）、改善退磁曲線的矩形度（膝點矯頑力Hk值大?。3]。由于兩相復合合金（由α—Fe納米晶軟磁性相及Nd2Fe14B硬磁性相組成）具有很強的剩磁增強效應，為了制備高剩磁（Br）高Hcj的磁粉，快淬磁粉也變成了雙相復合材料[4]。Co可以改善磁粉溫度特性和耐腐蝕性，但后來發(fā)現(xiàn)快淬磁粉的晶粒本身就比較細小均勻，Co的加入對耐腐蝕性影響不大；同時粘結(jié)磁體的使用環(huán)境溫度也不高，因此逐漸將Co含量降低或取消。在快淬磁粉制備工藝中，Zr可改善合金熔鑄液的流動性，有助于合金液在輥輪上連續(xù)成膜，使條帶均勻性好，從而改善磁粉退磁曲線的矩形度，提高膝點矯頑力Hk值。利用感應式法制備的磁粉，其成分含量里沒有添加Zr，這是由于用該法所制得的快淬帶表面平整性、帶寬一致性遠優(yōu)于電弧法，晶化后的納米晶結(jié)構(gòu)也要細小均勻得多，因此不必用添加Zr的方法來改善條帶均勻性和細化晶粒。

1.3 NdFeB快淬磁粉的現(xiàn)狀

NdFeB快淬磁粉分為MQP粉和國產(chǎn)粉2大陣營。為了在專利失效后繼續(xù)維持其市場地位保護自己的利益，MQI一方面推出各類低成本磁粉與國內(nèi)競爭，另一方面將高端磁粉所具有的高剩磁和退磁曲線矩形度好等重要性能特征列入其權(quán)利要求，如改善低牌號磁粉的壓縮成型性能使磁體密度增大，其性能接近高牌號磁粉但成本更低；或在配方中添加鑭（La）、鈰（Ce），磁粉性能雖不及傳統(tǒng)產(chǎn)品，但成本可大幅度降低，可替代鐵氧體。在鐠釹金屬價格持續(xù)大幅增長的現(xiàn)狀下，La、Ce的添加可部分取代鐠釹含量，有利于降低生產(chǎn)成本。針對國產(chǎn)粉技術和品質(zhì)成熟的性能牌號13—9粉，MQI也以規(guī)?；可a(chǎn)來參與市場競爭。此外，借助價格和品牌優(yōu)勢，MQI還做到了跨過磁體制造商直接與終端用戶建立緊密聯(lián)系，同時開發(fā)生產(chǎn)注塑成型顆粒料，從而占據(jù)整個市場霸主地位。與此同時國產(chǎn)磁粉憑借低價格和中等性能一直努力并頑強地與MQP粉激烈競爭，可望在后專利時代大舉攻占MQI的中低端市場。沈陽新橡樹和成都銀河等公司在開發(fā)高性能磁粉技術方面做出了不懈的努力，已有15～16MGOe的產(chǎn)品打入高端市場，但離穩(wěn)定批量生產(chǎn)尚有一定距離。近幾年來，還有一些民企和國企也進入了高端磁粉市場，如位于江西、天津的某公司和航天系統(tǒng)內(nèi)的企業(yè)，如此多的企業(yè)參與競爭，高端磁粉的價格必定會越來越低，利潤也將越來越薄，那么對下游粘結(jié)磁體企業(yè)技術升級換代的要求就越來越迫切。

2 粘結(jié)NdFeB磁體的發(fā)展

粘結(jié)磁體成型技術的難點是要確保磁體乃至數(shù)億只產(chǎn)品在磁性均勻和高精度尺寸方面的一致性，針對粘接劑不同的加工特性，粘結(jié)磁體有壓縮、注射、擠出和壓延四種成型方式。從市場角度看，由于消費電子、計算機存儲設備和小家電的迅速發(fā)展，要求主軸電機用粘結(jié)磁體具有更高的性能及精度，磁壁也越來越薄，機械強度也更大。當前手機和卡片機已普及，其中的自動變焦電機、振動小馬達和快門等微特電機的體積越做越小，要求粘結(jié)磁體也須小和薄，厚度小于0.5mm超薄磁體的應用，對成型工藝及機械強度提出了嚴峻挑戰(zhàn)；隨著節(jié)能家電、傳感器和汽車等電機在新興市場中的應用，推動了由鐵氧體有刷電機轉(zhuǎn)向高性能釹鐵硼無刷電機，使用的粘結(jié)磁體不僅要求性能高、溫度穩(wěn)定性好而且尺寸也大（直徑大于60～80mm）。因此，粘結(jié)磁體將朝著高性能、大型化的方向發(fā)展，或者朝著薄壁化、小型化方向發(fā)展。

粘結(jié)磁體壓縮成型方面，經(jīng)過改進粘接劑及其混煉工藝，我國磁體制造企業(yè)實現(xiàn)了磁性能、機械強度等應用性能與填充壓制等加工性能二者良好的優(yōu)化組合，同時進一步提高模具加工精度，磁體的動平衡得到了大幅改善。硬盤驅(qū)動器（HDD）市場占有率中國粘結(jié)NdFeB磁體已達到3/4以上，光盤驅(qū)動器（ODD）和微型磁體（1g重以下）的占有率接近100%。注射成型技術方面，國內(nèi)發(fā)展相對落后，日本和歐洲占主導地位，但近年來國內(nèi)企業(yè)在節(jié)能變頻空調(diào)、汽車傳感器等市場強勁需求的驅(qū)動下，以尼龍和聚苯硫醚（PPS）為粘接劑的注射磁體已形成一定的規(guī)模，并實現(xiàn)了磁體與金屬/塑料組件一體化成型。大直徑薄壁磁體（外徑50～60mm、壁厚0.8～1.0mm）的連續(xù)擠出技術則解決了高精度和擠出加工之間的矛盾，這為開發(fā)和應用高精度工控電機提供了有力的發(fā)展基礎。在柔性粘結(jié)磁體方面，美國阿諾德、日本的大同電子、MagX、TDK和松下等公司曾做過專門研發(fā)，國內(nèi)的北礦磁材、廣州金南等企業(yè)也做過有效嘗試，但因柔性粘接劑耐溫特性和磁粉抗氧化性不佳，該類磁體仍未大規(guī)模進入市場。得益于耐高溫橡膠和熱塑性彈性體的快速發(fā)展，中科三環(huán)經(jīng)過2年多的努力則取得了關鍵技術突破，開發(fā)出的耐高溫、高強度粘接劑體系適用于高性能粘結(jié)磁粉，如混煉—壓延/擠出成型—精密切割工藝，以及與該體系相關的配套設備；其柔性NdFeB磁體在100℃下能長時間保持磁性及尺寸精度，這為進一步開發(fā)耐高溫柔性磁體量產(chǎn)技術指明了方向。

各向異性磁粉一直是大家關注的焦點和熱點，它是將快淬磁粉緩慢而高強度熱壓變形，誘發(fā)晶粒擇優(yōu)取向制成致密塊體，最后破碎成合適的顆粒尺寸大小。這種各向異性磁粉同傳統(tǒng)的各向同性粉相比，具有更高的磁能積（>285kJ/m3≈35.6MGOe）和更高的剩磁（>1.24T=12400Gs）[5]。這種獨特的加工過程可以得到納米級的晶粒尺寸，很適合制作性能優(yōu)異的全密度各向異性的輻射取向薄壁磁環(huán)。但由于生產(chǎn)能耗大、成本高、效率低、成品率低等原因，市場應用十分有限。利用熱壓-熱變形工藝MQI聯(lián)合日本大同公司共同開發(fā)出了高密度各向異性磁體（MQ-III磁體）。中國科學院磁性材料與器件重點實驗室在國內(nèi)率先開展了熱壓輻射取向環(huán)形永磁體制備技術的研究，目前取得了一系列顯著成果，研制出的熱壓磁體矯頑力超過23kOe，最大磁能積超過41MGOe，且耐腐蝕性能優(yōu)異，在130℃、2.6atm（標準大氣壓）、240小時條件下，失重小于1mg/cm3，輻向環(huán)形磁體最小直徑達到9mm。目前成都銀河的熱壓磁體已經(jīng)進入量產(chǎn)。

3 粘結(jié)NdFeB磁體的應用發(fā)展

3.1 粘結(jié)磁體生產(chǎn)企業(yè)

東南亞是全球粘結(jié)NdFeB磁體生產(chǎn)的主要聚集區(qū)，規(guī)模較大的代表性制造企業(yè)有成都銀河、上海三環(huán)、日本大同電子、日本美蓓亞、臺灣天越和深圳海美格等。HDD主軸電機磁體主要由成都銀河、上海三環(huán)、日本大同三家企業(yè)生產(chǎn)，ODD主軸電機主要由上海三環(huán)、成都銀河和臺灣天越公司生產(chǎn)。目前我國粘結(jié)NdFeB磁體生產(chǎn)達到規(guī)?；钠髽I(yè)，有產(chǎn)量幾十噸/年的，也有產(chǎn)量超過1000t/a的。近年來隨著市場需求的增加，一些實力較強的燒結(jié)磁體企業(yè)也進入到了粘結(jié)磁體生產(chǎn)中。經(jīng)過十余多年的發(fā)展成都銀河現(xiàn)已躋身世界粘結(jié)NdFeB永磁行業(yè)的第一名。

3.2 粘結(jié)NdFeB磁體的應用

粘結(jié)NdFeB磁體主要應用于計算機、汽車、儀器儀表、家用電器、手機等行業(yè)的各種微特電機里，現(xiàn)分別介紹如下。

目前汽車工業(yè)已是我國第五大國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，NdFeB永磁電機的最大應用潛力市場之一就是汽車工業(yè)。在每輛汽車中一般有30個部位要使用永磁電機，如電動座椅、電動后視鏡、電動天窗、電動門窗、電動雨刮、空調(diào)器等。據(jù)說國外豪華轎車中使用的微電機數(shù)量達到了70只。汽車向小型化、輕量化和高性能化的發(fā)展，促使相關磁體性能越來越高，這將加快NdFeB永磁，尤其是粘結(jié)NdFeB永磁的發(fā)展。當前歐美工業(yè)化國家的汽車企業(yè)，大量、大批生產(chǎn)自動化所需的數(shù)控（NC）機床數(shù)量在不斷增多，而80%的NC機床里使用的是直流永磁電機，主要是因為交流電機無法滿足體積小的要求，且NC機床應用環(huán)境溫度不高，這無疑為粘結(jié)NdFeB磁體開辟了一個廣闊的應用市場。此外粘結(jié)NdFeB磁體在共享單車中也有應用如電子車鎖。

粘結(jié)NdFeB磁體在計算機領域應用中最多的是HDD和ODD，不過由于近年SSD固態(tài)硬盤的發(fā)展，HDD面臨被取代的危機，而HDD的主要部件硬盤磁臂驅(qū)動電機所需的粘結(jié)磁體也將面臨大幅度下降的壓力。

在消費電子領域尤其智能手機中，其電聲部分（微型麥克風、微型揚聲器/受話器、藍牙耳機、高保真立體耳機），振動電機、相機調(diào)焦甚至以后的傳感器應用都需要用到粘結(jié)NdFeB磁體，它已成為一種不可或缺的高端配件組成。相信隨著智能手機市場的穩(wěn)步增長，粘結(jié)磁體的需求會越來越大。

隨著新興應用市場不斷開發(fā)并快速發(fā)展，粘結(jié)NdFeB磁體在變頻空調(diào)、變頻冰箱、變頻洗衣機等家電的變頻電機中（電機磁瓦）的應用也越來越多，預計在未來一段時間內(nèi)會保持上升趨勢。

4 結(jié)語

當前我國已成為世界永磁材料的生產(chǎn)大國和制造中心，粘結(jié)永磁行業(yè)企業(yè)要盡快進入科技創(chuàng)新—轉(zhuǎn)型升級—做大做強的良性循環(huán)中，充分利用我國磁材行業(yè)擁有的天時、地利、人和的優(yōu)勢，在人才儲備、技術創(chuàng)新、管理水平、產(chǎn)業(yè)理念等各個方面下大功夫，盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，提升我國新材料產(chǎn)業(yè)的整體技術水平，打造高水平磁材及應用聚集區(qū)域，生產(chǎn)出更多高附加值和高技術含量的粘結(jié)永磁產(chǎn)品去參與國際競爭。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.006

參考文獻

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[3] 王永強，李兆波，李世貴，等.國內(nèi)快淬釹鐵硼磁粉生產(chǎn)技術及其裝備的發(fā)展—電弧重熔溢流快淬與晶化工藝的改進[J].磁性材料及器件，2007，38（6）：34—41.

[4] 周壽增，董清飛.超強永磁體-稀土鐵系永磁材料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[5] Miller D.新型高性能各向異性MQA磁粉及其粘結(jié)磁體的性能及在電機中的應用[J].磁性材料及器件，2010，41（1）：40—42.