綜述-永磁材料

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞稀土永磁材料釹鐵硼磁性能制備工藝Nd-Fe-B系稀土永磁材料的研究進(jìn)展鄧少杰合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院摘要釹鐵硼磁體被稱為第3代稀土永磁材料，是目前綜合磁性能比較高的永磁材料。探討了釹鐵硼永磁材料的發(fā)展前景以及行業(yè)存在的問(wèn)題，對(duì)釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。概述了釹鐵硼永磁材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了釹鐵硼磁體的性能及先進(jìn)制備工藝?？v觀全文，釹鐵硼永磁材料已進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，應(yīng)用前景廣闊。1緒論永磁材料的定義永磁材料又稱為硬磁材料，它是一種經(jīng)過(guò)外加強(qiáng)磁場(chǎng)的磁化，再去掉外加磁場(chǎng)之后能長(zhǎng)時(shí)期保留其較高的剩余磁性能，經(jīng)受振動(dòng)、溫度等環(huán)境因素和不太強(qiáng)的外加磁場(chǎng)的干擾的強(qiáng)磁材料。又因?yàn)槠渚哂懈叩某C頑力，能經(jīng)受外加不太強(qiáng)的磁場(chǎng)的干擾，故又稱硬磁材料。1.2釹鐵硼系稀土永磁材料的現(xiàn)狀及研究意義在釹鐵硼剛開始生產(chǎn)應(yīng)用之初，世界釹鐵硼生產(chǎn)能力主要集中在日、美、中、歐等少數(shù)國(guó)家手中。其中，日、美在永磁的開發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用方面的技術(shù)一直處于世界前茅，同時(shí)也是最大的永磁消費(fèi)市場(chǎng)，并形成了幾家能力大、質(zhì)量好、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的超大規(guī)模企業(yè)。目前，日本住友特殊金屬公司、日本信越化學(xué)實(shí)業(yè)公司、TDK等在釹鐵硼的銷量上分居世界第一、二、三位，而中國(guó)的北京中科三環(huán)高技術(shù)股份有限公司與日本的TDK并列排在第三位。中國(guó)在20世紀(jì)80年代初開始從事稀土永磁材料的研究。目前，中國(guó)釹鐵硼產(chǎn)業(yè)已經(jīng)占全球近80%市場(chǎng)份額，是全球燒結(jié)釹鐵硼磁體的產(chǎn)業(yè)中心。2010年，中國(guó)鐵硼磁體產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)世界總產(chǎn)量的80%。隨著中國(guó)對(duì)稀土出口限制管理日趨嚴(yán)格，未來(lái)中國(guó)高性能釹鐵硼永磁材料產(chǎn)量將繼續(xù)擴(kuò)大，占全球總產(chǎn)量比例有望繼續(xù)提升。目前，中國(guó)釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)120多家，國(guó)內(nèi)有5家企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模已近千噸。而上百噸生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)有20余家，但所產(chǎn)磁體大部分都是中低檔產(chǎn)品，絕大多數(shù)應(yīng)用在性能要求不高的領(lǐng)域。所以，中國(guó)燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量雖處于世界前列，但所得利潤(rùn)卻很有限。從世界范圍來(lái)看，高性能釹鐵硼永磁體發(fā)展前景看好，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也較強(qiáng)。永磁材料是一種重要的基礎(chǔ)功能材料，它的基本功能是提供穩(wěn)定持久的磁通量，不需要消耗電能，是節(jié)約能源的重要手段之一。同時(shí)永磁材料使器械和設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本和維修保養(yǎng)成本降低［1］。因此，永磁材料的應(yīng)用面越來(lái)越廣，應(yīng)用量越來(lái)越大。當(dāng)今，永磁材料按磁性能的高低，大致可分為2類。一是一般永磁材料，如鋁鎳鈷、鐵氧體，磁性能較低，但價(jià)格低；二是稀土永磁材料，如釤系磁體（如SmCo5）及釹系磁體（Nd-Fe-B）,磁性能較高，但價(jià)格貴［2］。隨著電子器件的小型化、微型化的發(fā)展要求，高性能稀土永磁材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛。釹鐵硼的最大磁能積最高，由于不含貴重金屬Sm和Co,價(jià)格較低，近年來(lái)發(fā)展迅速。也因?yàn)镹d-Fe-B系永磁材料的性能比傳統(tǒng)的永磁材料的要高，稱為創(chuàng)世界紀(jì)錄的磁性材料。并且用金屬鐵代替稀土永磁一、二代所用的金屬鈷，以成本低、資源豐富的金屬釹代替資源較少的稀土金屬釤。再者永磁材料有矯頑力高、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度高、最大磁能積高和穩(wěn)定性高這四大優(yōu)勢(shì)。而隨著當(dāng)今世界的飛速發(fā)展的要求，永磁材料的研究就顯得極為必然。也因釹鐵硼是重要的金屬功能材料，作為第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人員稱為“磁王”，利用其能量的轉(zhuǎn)換功能和磁的各種物理效應(yīng)可制成多種樣式的功能器件。釹鐵硼磁性材料已被廣泛應(yīng)用于航空、航海、電子等眾多領(lǐng)域，成為高科技、新興產(chǎn)業(yè)與社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用可以大大減小整機(jī)的體積和質(zhì)量，如在磁盤上的應(yīng)用，可以使磁盤驅(qū)動(dòng)器微型化,而且性能更好。在音響器件中，釹鐵廣泛應(yīng)用于微型揚(yáng)聲器、耳機(jī)及高檔汽車的揚(yáng)聲器，大大提高了音響的保真度和信噪比。此外還可以應(yīng)用于直流電機(jī)及核磁共振成像，特別是在磁懸浮列車上的應(yīng)用不僅數(shù)量大,而且可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)輸、安全可靠及噪聲小等特點(diǎn)。綜上所述，釹鐵硼實(shí)屬高科技新材料。2釹鐵硼系稀土永磁材料的制備工藝目前我國(guó)研究的方法有粉末冶金法、熔體快淬法、還原擴(kuò)散法、HDDR法、熱變形法、雙合金法與機(jī)械合金法等等。近些年來(lái)生產(chǎn)高性能稀土永磁材料常用的方法為快速凝固鱗片鑄錠+氫破碎+氣流粉碎及SC+HD+JM的工藝。以下是上述的常用或者重點(diǎn)方法的具體介紹。粉末冶金法目前我國(guó)主要用粉末冶金法（燒結(jié)法）生產(chǎn)這種磁體。其主要過(guò)程如下：原材料一預(yù)處理f配料f熔煉f破碎f細(xì)磨f混料f壓型f燒結(jié)f熱處理f機(jī)加工f電鍍f充磁f檢驗(yàn)f包裝f入庫(kù)［3］。合金成分及其微觀組織最優(yōu)化是高性能化燒結(jié)Nd-Fe-B永磁的關(guān)鍵。燒結(jié)釹鐵硼磁體采用粉末冶金工藝，使得燒結(jié)磁體內(nèi)部必然存在一定數(shù)目的氣孔和缺陷，這在過(guò)去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)［4］。氣孔和缺陷的存在，一方面使磁體的密度下降，連續(xù)性降低，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；另一方面，氣孔的存在使有效承載面積下降。這兩方面均為造成材料塑韌性差的原因。熔體快淬法在Nd-Fe-B的制取工藝方面除了傳統(tǒng)的粉末冶金工藝外，美國(guó)GM公司采用先進(jìn)的快淬工藝技術(shù)制備快淬釹鐵硼磁體。經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，快淬釹鐵磁體的矯頑力是普通燒結(jié)釹鐵磁體的1.5—2倍，溫度特性也得到了相應(yīng)的改善該公司用快淬工藝研制出樹脂粘合型Nd-Fe-B磁體，具有生產(chǎn)能力。HDDR法HDDR過(guò)程分為氫化、歧化、脫氫與重組合四個(gè)階段。它是制備稀土金屬間化合物磁性粉末的行之有效的方法。1989年，三菱公司的TTakeshita,Kkayama發(fā)現(xiàn)在相近溫度下，對(duì)歧化物進(jìn)行強(qiáng)制脫氫處理，歧化物再脫氫后重新形成細(xì)小的Nd2Fe14B相和少量的富Nd相，從而獲得了具有高矯頑力的NdFeB磁粉。這四個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)稱為HDDR。脫氫、重合反應(yīng)是前一個(gè)反應(yīng)的逆反應(yīng)，反應(yīng)后的Nd2Fe14B相已經(jīng)不是鑄錠原來(lái)的粗大顆粒，而成為細(xì)小晶粒的集合體，由于吸氫時(shí)產(chǎn)生體積膨脹；很容易破碎成粉末［5,6］。多年來(lái)，三菱公司、伯明翰大學(xué)、愛知制鋼和北京科技大學(xué)等企業(yè)、高等院校的研究小組對(duì)HDDR法制備各向異性粘結(jié)Nd-Fe-B磁粉、粘結(jié)Nd-Fe-B磁體，取得了顯著進(jìn)展。3釹鐵硼系稀土永磁材料的性能及影響其因素3.1性能釹鐵硼永磁材料的主要磁性能參量可分為2類：非結(jié)構(gòu)敏感參量（即內(nèi)稟參量），如居里溫度Tc,主要由材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)來(lái)決定；結(jié)構(gòu)敏感參量，如剩磁Br，最大磁能積Mmax和矯頑力Hcj，這些參量除與內(nèi)稟參量有關(guān)外，還與材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷等顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)［7］。釹鐵硼的居里溫度低（312°C）,對(duì)溫度極敏感，在受熱時(shí)其剩磁、特別是內(nèi)稟矯頑力下降很快，磁性溫度系數(shù)很大，改善熱穩(wěn)定性的主要途徑是合金化。矯頑力高的永磁材料具有較好的溫度穩(wěn)定性［8］。因此，永磁材料的矯頑力越高,可工作的環(huán)境溫度也就越高。要使磁體的磁能積達(dá)到最大值，必須做到：燒結(jié)體的密度接近或達(dá)到材料的理論密度；盡可能減少非磁性相的體積分?jǐn)?shù)；鐵磁性相晶粒的取向度盡可能高。釹鐵硼的穩(wěn)定性包括3個(gè)內(nèi)容：熱穩(wěn)定性；受外界磁場(chǎng)干擾的穩(wěn)定性；時(shí)間穩(wěn)定性［9］。釹鐵硼永磁材料熱穩(wěn)定性，即其由于所處環(huán)境溫度改變而產(chǎn)生的磁性能變化用材料的溫度系數(shù)來(lái)表征。永磁材料的磁性能變化分為不可逆損失和可逆損失兩部分：不可逆損失是指溫度恢復(fù)到原來(lái)溫度后永磁材料的磁性能不能恢復(fù)到原值，從而導(dǎo)致有的電機(jī)隨著使用電氣性能逐步下降［10］，應(yīng)盡量避免；而可逆損失是難以避免的，在電機(jī)設(shè)計(jì)之初就必須充分考慮在穩(wěn)定溫升運(yùn)行時(shí)必須達(dá)到的性能。隨著釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，溫度系數(shù)很小的永磁材料已經(jīng)問(wèn)世，可小到萬(wàn)分之一［11］。永磁體一般作為磁場(chǎng)源，在一定空隙內(nèi)提供恒定的磁場(chǎng)。對(duì)于精密儀器儀表和磁性器件，要求在工作環(huán)境下，當(dāng)外界條件變化時(shí)，磁體提供的磁場(chǎng)要穩(wěn)定。與其他永磁材料相比，燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的穩(wěn)定性要差很多，一般只能在小于100°C溫度下工作，而高矯頑力系列的工作溫度也不能超過(guò)150C，適用于200C以上的非常罕見。在永磁電機(jī)中，對(duì)永磁體的穩(wěn)定性要求很高，磁能積要求卻不是那么嚴(yán)格。目前，制約燒結(jié)釹鐵硼永磁材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題就是其熱穩(wěn)定性，解決好這一問(wèn)題有著非常重要的意義。3.2影響因素一是晶體結(jié)構(gòu)；其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系少。燒結(jié)Nd-Fe-B的晶體結(jié)構(gòu)與密排六方晶格相似，同為層狀堆垛結(jié)構(gòu)，但其對(duì)稱性遠(yuǎn)較密排六方晶格差，由此可以推斷燒結(jié)Nd-Fe-B的滑移系較密排方六晶體的滑移系少，所以燒結(jié)釹鐵硼塑韌性很差。二是磁晶各向異性導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性；磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性等基本現(xiàn)象在某些方向可以改善磁性材料的性能。由于磁性和彈性的相互耦合作用，必然會(huì)引起材料力學(xué)性能的各向異性，如單晶體的磁致伸縮各向異性、熱膨脹各向異性和抗拉抗彎強(qiáng)度的各向異性等等［12］。因?yàn)樵诓煌较虼朋w的熱膨脹不同，所以在降溫過(guò)程中磁體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這也是燒結(jié)Nd-Fe-B力學(xué)性能差的重要原因之一。三是晶界富釹相力學(xué)性能弱化；在燒結(jié)釹鐵硼的顯徽組織中，富Nd相主要呈薄層狀沿晶界分布，而此種晶界富Nd相的硬度（HV）僅有262，遠(yuǎn)低于基體的硬度。研究表明：燒結(jié)釹鐵硼本身晶界弱化，斷裂方式主要為沿晶斷裂，穿晶斷裂比率在5%以上，而且在富釹相聚集較多的三叉晶界處，由于應(yīng)力集中，會(huì)首先出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展發(fā)散點(diǎn)。四是磁體制備工藝—粉末冶金的燒結(jié)工藝；燒結(jié)釹鐵硼磁體采用粉末冶金工藝，使得燒結(jié)磁體內(nèi)部必然存在一定數(shù)目的氣孔和缺陷，這在過(guò)去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)［4］。氣孔和缺陷的存在，一方面使磁體的密度下降，連續(xù)性降低，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；另一方面，氣孔的存在使有效承載面積下降。這兩方面均為造成材料塑韌性差的原因。4釹鐵硼系稀土永磁材料的應(yīng)用及發(fā)展前景4.1應(yīng)用新材料開發(fā)的目的在于應(yīng)用，但是一種新材料開發(fā)到應(yīng)用往往需要經(jīng)過(guò)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而當(dāng)代永磁之王的稀土鐵基永磁材料問(wèn)世以來(lái)從未有過(guò)的高速度占領(lǐng)了永磁市場(chǎng)，到目前為止經(jīng)過(guò)多年的商品化發(fā)展，已經(jīng)證明它確實(shí)成為一個(gè)應(yīng)用范圍廣、潛力大的極為重要的永磁材料。歐洲共同體委員會(huì)曾對(duì)稀土鐵基永磁材料做過(guò)分析，在分析報(bào)告中指出：稀土鐵基永磁材料不僅將作為與配件配套的現(xiàn)有各類磁體的替代者，而且在取代電磁與非電磁設(shè)計(jì)的器件的新市場(chǎng)中也將獲得廣泛應(yīng)用。釹鐵硼作為第三代稀土永磁材料，廣泛應(yīng)用于電機(jī)中。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小、控制調(diào)速性好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)、家用電機(jī)等領(lǐng)域，其很高的性價(jià)比使得其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，因此近幾年在科研、生產(chǎn)、應(yīng)用方面都得到了持續(xù)高速發(fā)展。近年來(lái)由于釹鐵硼永磁材料綜合性能的進(jìn)一步提升，釹鐵硼磁體正在逐步替代其他磁性材料而成為主流磁性材料，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。在“節(jié)能、環(huán)保”的大背景及國(guó)家政策的鼓勵(lì)下，風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車及節(jié)能家電等行業(yè)未來(lái)將迅猛發(fā)展。隨著全球高性能永磁電機(jī)的逐步普及，高性能釹鐵硼永磁材料需求量不斷提高。4.2發(fā)展前景與展望中國(guó)的稀土永磁材料的發(fā)展著實(shí)令人振奮，也令世界矚目。中國(guó)發(fā)展稀土永磁材料具有得天獨(dú)厚的條件和國(guó)家的大力支持：中國(guó)的稀土產(chǎn)量和儲(chǔ)量居世界第一，中國(guó)的稀土資源儲(chǔ)量占了全世界的70%-80%，如中國(guó)的總設(shè)計(jì)師鄧小平指示：“中東有石油，中國(guó)有稀土”。要將稀土的資源的優(yōu)勢(shì)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)必須作稀土精加工。稀土永磁材料則為稀土資源利用的精加工產(chǎn)品。中國(guó)科技部一直將此列為鼓勵(lì)發(fā)展的高科技產(chǎn)品。每年均給予優(yōu)惠政策、資致謝金支持。稀土永磁材料發(fā)展幾十年來(lái)，已經(jīng)從第一代稀土鈷基發(fā)展到第三代稀土鐵基材料，已成功地應(yīng)用于電機(jī)、電腦、電聲器材、醫(yī)療、工農(nóng)、國(guó)防科技各領(lǐng)域，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。稀土永磁材料逐漸由永磁材料家族的普通一員變成主體。21世紀(jì)將是稀土永磁材料大發(fā)展的世紀(jì)，也必是我們大展宏圖之時(shí)。白駒過(guò)隙，轉(zhuǎn)眼一個(gè)多月的論文寫作課就此告一段落。在此期間，收獲良多。在此對(duì)魯穎煒老師、左如忠老師以及對(duì)此課做出貢獻(xiàn)的老師們表以誠(chéng)摯的謝意。感謝你們的授業(yè)、傳道、解惑的師德參考文獻(xiàn)1宋后定?永磁材料的應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2007(4)：65—67.2林河成?稀土永磁材料的進(jìn)展[J].稀土，1994(3)：5—7.3鐘俊輝?高性能永磁材料發(fā)展概況[J].材料導(dǎo)報(bào)，1990(2)：83—85.閆兆杰，于旭光.釹鐵硼的微觀結(jié)構(gòu)研究[J].河北冶金，2004(4)：24.NakamaraH，KatoK，etal.Proc，15thInt.WoncshoponREMagncts.1998.507.萬(wàn)永.金屬材料研究.2003，29(1)：52.張修海，熊惟皓，李燕芳等.燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2008，32(11)；5—9.VIALF，JOLYF，NEVALAINENE，etal.ImprovementofcoercivityofsinteredNdFeBpermanentmagentsbyheattreatment[J].JouralofMangnetismandMagneticMaterials，2002，242：1329—1334.王景海，釹鐵硼.最理想的永磁材料[J].上海金屬，1991，12(3)：12—19.10林巖，姜代維，陳海玲等?國(guó)產(chǎn)SH系列燒結(jié)釹鐵硼永磁體的性能分析[J]?沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,28(5)：510—512.11林巖，周廣旭，唐任遠(yuǎn)等.燒結(jié)釹鐵硼材料的熱穩(wěn)定性對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的影響及合理選擇[J]?沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29(6)：618—622.12周壽增?稀土永磁材料及其應(yīng)用[M]?北京：冶金工業(yè)出版社，1999：349.ThereaearchprogressoftheNdFeBrareearthpermanentmagnetsmaterialsDengShaojieTheresearchinstituteofindustrialandequipmenttechnologyAsthethirdgenerationsofrareearthpermanentmagentmaterial，theNdFeBmagnetsposse