钕铁硼永磁材料基本知识讲义共12页文档

钕铁硼永磁材料基本知识讲义
一、稀土元素
二、磁性材料
三、钕铁硼的运用领域
四、钕铁硼的发展
五、钕铁硼材料的基本特性及其显微组织结构
六、钕铁硼的制造工艺和设备原理
七、钕铁硼生产销售中碰见的一些问题罗列
八、烧结钕铁硼永磁材料室温（20℃～25℃）
下的磁性能表
一、稀土元素
1、稀土元素有17种，分别表示如下：
钪（Sc）钇（Y）镧（Ca）铈（Ce）镨（Pr）
钕（Nd）钷（Pm）钐（Sm）铕（Eu）钆（Gd）
铽（Tb）镝（Dy）钬（Ho）铒（Er）铥（Tm）
镱（Yb）镥（Lu）在钕铁硼产品中常用的稀土金属有钕、镨、镝、铽、
钆、钬
2、稀土金属是活泼金属
稀土金属的化学活泼性处于碱金属（锂、钠）和碱土金属（镁、钙）之间，
在一定的条件下（钠很活泼只能保存在煤油中）会产生下列反应，并产生大量的热量，热量的提供进一步促进反应的进行，如：
2Nd + 3O2 2Nd2U3+Q
2Nd +6H2O 2Nd(OH)3 +3H2+Q
Nd2O3+3H2O 2Nd(OH)3 +Q
从上述方程式可以看出在生产钕铁硼时要进行防氧化、防受潮,其中防受潮很关键,在潮湿天和下雨天各车间应充分注意防受潮。

3、稀土金属的分布
据资料统计，中国的内蒙、江西、浙江、广东、福建、广西、湖南等地都发现了稀土。

由于存在的状态不同，内蒙的包头稀土是氟碳铈镧矿形式存在而且是以轻稀土为主（钕前面的稀土），而江西等是离子型矿形式存在以中重稀土为主。

世界的稀土大部分在中国，中国约占了世界稀土的80%，而中国的80%在内蒙的包头。

世界上美国、俄罗斯、澳大利亚、越南等国家都发现了稀土。

二、磁性材料
主要运用的磁性材料有铁氧体、铝镍钴、钐钴和钕铁硼。

钐钴和钕铁硼合称稀土永磁材料。

目前世界上应用最多的还是铁氧体，产品廉价，其次是钕铁硼；铝镍钴和钐钴的温度稳定性比钕铁硼好，因此在一些指针式仪表、军用品和高档消费品中还离不开铝镍钴和钐钴材料。

铁氧体的居里温度为465℃，钕铁硼的居里温度为310℃，铝镍钴的居里温度为800℃，钐钴的居里温度在700——800℃之间，因此钕铁硼的温度稳定性最差，但性能最高，被称为“磁王”，目前磁性材料的生产有烧结和粘结两种工艺，粘结由于加了粘合剂磁性能不会高，但产品精度较高。

三、钕铁硼的应用领域
1、微波通讯技术中的应用：在雷达技术、卫星通讯、遥控遥测技术、电子跟
踪、电子对抗技术中需要用到，磁控电子管、磁控行波管、阴极射线管、环行器等都要用到钕铁硼。

2、在电机工程中的应用：稀土永磁材料产量的三分之一以上用来制造各种永
磁电机，永磁电机的优点是省铜、省电、重量轻、体积小、比功率高。

电
动自行车电机、电脑驱动电机、车床等的行速与转速的测量电机、电梯的
曳引机电机、麻将电机、冰箱空调电机、风力发动电机、汽车发动电机等
等应用领域极其广泛。

3、在电声器件中的应用：如扬声器（喇叭）、话筒、助听器、立体声耳机（MP3、
MP4）、电话接收机及电声传感器等等。

4、在磁力机械工程中的应用：磁力机械包括磁力传动器、磁性齿轮、磁制动
器、磁夹具、磁力打捞器、磁性轴承、磁力泵、磁性阀、磁封门、磁锁和
永磁起重器、永磁搬运机等。

5、在交通运输工具中的应用：利用同性相斥的原理而制造的列车叫磁悬浮列
车；现代豪华轿车需要用15-70个永磁器件，如：风挡刮水器电机、油泵
电机、开窗电机、门锁电机、去雾电机、自动汽控器、起动电机等。

6、在磁分离技术中的应用：利用磁性方法将铁磁性物质与非铁磁性物质分开
的技术称为磁分离技术。

磁分离技术在选矿、选煤、原材料处理、水处理、垃圾处理以及在医疗、化工工业和食品工业中得到了广泛应用。

7、在磁化技术中的应用：利用磁场对物质进行磁化作用，改变被磁化物质的
键合状态与性质；或改变原子、电子状态，促进物质的化学反应与燃料的
燃烧；或改变物质的结晶形态或凝固点，这一技术称为磁化技术。

磁化器、汽车中的节油器、石油开采中的石油防蜡器等等。

8、在磁疗和健身器械方面的应用：如磁疗水杯、磁球、磁疗机、磁疗鞋、磁
疗帽、磁疗手镯、项链等，还有近年来发展较快的医疗设备核磁共振成像
仪（MRI）每台的用量在3——4吨，试想中国每个医院如果配一台MRI
钕铁硼的用量应该是多少！
总之自从1983年钕铁硼发明以来每年都有新的运用领域出现，每年的增幅
在30%以上，应用前景十分广阔。

四、钕铁硼的发展
1、产品的发展。

钕铁硼自1983年发明以来前十年发展不快，近十年发展很快，
96年中国360吨，日本产量2019 吨，美国产量1000吨，但到了2019年
中国产量60000吨，日本产量2019吨，其它国家几乎没有了，全世界钕铁
硼产量烧结和粘结合起来有10万吨左右（其中粘结2万吨）。

2、企业：2019年前西方世界比中国发展快，中国发展慢。

但到目前为止，日
本只剩四家企业、美国只剩一家、欧洲也只剩一家，而中国有一百多家，
因此中国是世界钕铁硼的生产大国，但不是强国。

中国钕铁硼的产量60%
在浙江，其它在山西和京津地区，钕铁硼的销售基地在深圳、宁波和北京。

3、性能的发展：钕铁硼性能的发展是依赖于工艺的完善和先进设备的运用才
快速发展起来的。

96年前中国最好的性能为N38，世界最好为N48，而到
2019年中国最好为N52世界最好也为N52（规模化生产），性能提高很快，中国的钕铁硼性能提高更快，中国已经逐步从生产大国转化为生产强国。

4、工艺的发展：最早钕铁硼工艺是湿法生产，用甲苯或汽油作保护剂、球磨
生产、性能较低，后来发展到干法生产（气流磨）性能得以大力提高，但
最好性能也只能是N45，但自从发明了甩带（SC）工艺后性能得到了极大
的提高，目前批量化做可以达到N52。

5、设备的发展：球磨机到气流磨，铸锭到铸片到氢碎，单式烧结炉到连续多
式烧结炉，简单压机到自动压机，设备发展工艺突破是钕铁硼成本降低性
能提高的关键。

6、后加工工艺的发展：早期钕铁硼的后续加工工艺比较单调而且浪费也大，
主要加工工艺有切片、线切割、打孔、无心磨、立磨等，随着钕铁硼的快
速发展运用领域的不断扩大，加工工艺和设备也发生了很大变化，套孔（提
高了材料的综合利用率）、套瓦、磨瓦双面磨等新的加工工艺被广泛运用，为钕铁硼降低成本，提高精度创造了条件。

五、钕铁硼材料的基本特性及其显微组织结构
（一）金属特性
烧结钕铁硼是固体，密度7.2—7.7g/cm3,熔点大约在1150摄氏度(微量元素的不同熔点也不同),是金属导体可电镀.。

（二）强的永磁体
烧结钕铁硼的理论磁能积为64MGOe，饱和磁化强度为1.6T，而目前国内外批量化生产中最大的磁能积为52MGOe。

（三）按性能的不同可用于不同的温度
1、烧结钕铁硼按内禀矫顽力Hcj的不同可分为N料、M料、H料、SH料、UH料、EH料、AH料，按一定的长径比（L/D>0.5）和环境条件。

N料Hcj≥12KOe 最高使用温度为80℃
M料Hcj≥14KOe 最高使用温度为100℃
H料Hcj≥17KOe 最高使用温度为120℃
SH料Hcj≥20KOe 最高使用温度为150℃
UH料Hcj≥25KOe 最高使用温度为180℃
EH料Hcj≥30KOe 最高使用温度为200℃
AH料Hcj≥33KOe 最高使用温度为230℃
2、按剩磁Br和最大磁能积（BH）max的不同可分不同的牌号系列如：
N35 N38 N42 N45 N48 N50 N52 等
35M 38M 40M 42M 45M 48M 50M 52M等
（四）物理量的概念和参数
1、居里温度（Tc表示）
居里温度的概念：强铁磁体由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度或居里点Tc。

钕铁硼的居里温度点是312摄氏度，Tc是磁性材料的重要参数，Tc高材料的工作温度可提高，也可提高磁性材料的温度稳定性。

加钴、铽、镝等可提高磁性材料的居里温度，因此在高矫颈力的产品中（H、SH、……）都加有镝等提高Tc的材料。

2、磁通量Ф单位是韦伯（Wb），以整块的磁体为测量对象，测量仪器为磁通计。

3、表面高斯单位是特斯拉（T）或高斯（GS），是以磁体表面上的一个点为测
量对象，测量仪器是高斯计，测量地方有中心高斯、最高表磁等。

因此有高斯要求的产品要向客户问清楚是中心高斯还是最高表磁。

4、温度系数：钕铁硼材料的特点是随温度的升高、剩磁、内禀矫顽力和最大
磁能积都会下降。

剩磁温度系数α Br一般在-0.09～0.128%/℃
内禀矫顽力温度导致αHcj一般在-0.45～-0.8%/℃
如某一钕铁硼材料αBr=-0.10%/℃αHcj=-0.5%/℃
在20℃时的剩磁为12KGS 矫顽力为20KOe
问在80℃时的Br和Hcj
Br80℃= Br20℃+αBr．（T80-T20）．Br20℃= Br20°
-(80-20)*0.10%/℃．Br20℃=12(1-0.06)=11.28KGS Hcj80℃= Hcj20°-(80-20).0.005* Hcj20℃=20(1-0.3)
=20*0.7=14KOe
5、主要物理参数及单位
主要物理参数有最大磁能积表达式为（BH）max,剩磁表达式为Br，内禀
矫顽力表达式为Hcj，矫顽力表达式为Hcd，如下图：
（BH）max=Bd*Hd
1、基体Nd2Fe14B
Nd2Fe14B也就是主相，就象水由H2O组成一样，钕铁硼主要由Nd2Fe14B组成，它是个铁磁性相，其体积分数决定了Nd-Fe-B永磁合金的Br和(BH)max。

2、富硼相
它是B的化合物Nd1+∑Fe4B4，在Nd-Fe-B永磁合金中，富硼相是有害的，希望它的体积分数越小越好。

3、富钕相
富钕相对烧结Nd-Fe-B合金的磁硬化起着重要作用，保持适当的富钕相有利于促进烧结钕铁硼的矫顽力。

4、杂质
在烧结Nd-Fe-B内部也存在一定体积的氧化物如Nd2O3、α–Fe、氯化物以及空洞等.
(六)钕铁硼的其它物理特性
1.硬度（HV）620
2.杨氏模量 1.6*1011 N/m2
3、压缩率 9.8*10-12 m/N
4、电阻率 1.8～2.0*10-4Ώ.cm
5、抗弯强度 295～345MPa
六、钕铁硼的制造工艺和设备原理
（一）熔炼
1．按工艺的不同分为常规熔炼（20kg、30kg、50kg、100kg ）和甩带炉（100kg、300kg、 500kg ）两种。

2．工艺
A、Nd、Fe、B配料的前处理
B、配料
C、熔炼：
首先装料再抽真至1Pa以下，开始送低功率加热，边加热边继续抽气，随温度升高，吸附状态的气体，水份逐渐解吸而被抽出，至炉料普遍呈现暗红色，关阀充入氩气，进行增功率升温到炉料全部熔化，并进行5分钟左右的精炼，精炼完毕减功率并进行浇注，浇注时浇口应对准冷却模，浇注完毕并进行冷却。

D、合金的保存
合金锭放置和运输过程要注意杂质的进入如：手套的丝、空气中的灰尘等。

同时氧气对合金有破坏作用，氧渗透进去，使钕变成氧化钕；水气对合金有破坏作用，水碰到钕会生成钕的氧化物和氢化物，因此熔炼过程要防杂质、防氧化。

（二）制粉
1、设备
氢碎炉、粗破机、中碎机、气流磨、搅拌机
2、工艺
甩片
气流磨
铸锭粗破中碎
3．过程控制要点
A、粉的粒度，2.9——5.2um为宜,粒度越细相应矫顽力和剩磁会提高,产
品的耐腐蚀也提高,但后续工艺不好控制,粒度分布窄性能可做的愈高
B、气流磨时适量的放点空气对粉进行钝化非常重要，就好象人从黑暗中
马上走到光明的地方眼睛会不适，有时会损害眼睛一样，粉如果不放点空气，反而在后续生产中更容易氧化，同时极有可能燃烧
C、搅拌，由于前后出来的粉性能不太一致，因此粉需要进行搅拌
（三）成型
1、设备
压机、等静压、储料筒
2、工艺
A、称粉：按工艺要求进行称粉
B、磁场定向成型：此工序为了将千千万万颗NdFeB粉在磁场作用下整齐排列起来，并在模具中压结成设定的形状，压机的基本要求是在40mm气隙时磁场必须大于18000奥以上，同时应有光电保护器防止压机伤人事件
C、压制的生坯密度大约为3.2----3.8g/cm3,而Nd-Fe-B烧结后的理论密度为7.5g/ cm3左右,因此在压制比较大的圆柱和方块时由于收缩量大易开裂缺角产生变形和尺寸超差,因此还需通过等静压来提高生坯的密度,通过等静压后生坯的密度为4.5 g/ cm3 ,公司现在除低性能小柱子(Ф10以下)不等静压外直接摆盒后进烧结炉外其它都通过等静压,而等静压生坯为防止浸油和表面氧化,必须要真空封装,在进炉前进行剥油
4.磨具:磨具的制作和设计水平好坏直接影响产品的外观质量,随着行业竞争的激烈,磨具是节省成本的一个重要环节,加工余量的降低,产品变形量的减少,一些异形产品的直接压制生产,将决定一个企业是否具有竞争力的重要因素之一.
(四)烧结
成型或等静压后生坯不具备高永磁性能的显微组织,为了进一步提高密度改进粉末颗粒之间的接触性质,提高强度,使磁体具备高永磁性能的显微组织特征,需要将压坯加热到粉末基体相熔点以下的温度进行一段热处理
烧结炉应具有良好的密封性,泄漏率低,因此经常应密闭抽真空保持以防气体,水汽的吸附,切忌产品取出后让炉门敞开着,长时间与外界空气、水汽接触.剥油箱也一样应及时关闭,防止水汽的吸附,影响产品性能.
烧结工艺分烧结和时效两段工艺,烧结温度,甩带氢碎料大约在1050℃~1085℃之间,铸锭氢碎大约在1070℃~1095℃之间,铸锭料在1100℃~1135℃之间,时效分二段时效机制890℃~920℃和500℃~630℃二段,从烧结和时效到出炉整个工艺过程下来一般要20~38小时之间.
温度
T
80℃
T时间（五）后加工
Nd-Fe-B坯料由于受生产因素的影响，尺寸精度都不能直接达到客户要求，须进行后续加工后才能满足客户要求。

对一些异形或切片机不能直接切片的用线切割（线切割机）
对圆片和中小方块用切片机，对精度更高或有CPK要求的还需双面磨床进行加工（切片机、双面磨床）
不能直接压制的小圆柱需要先用方块切成小方条然后再方滚圆（小无心磨） 一些产品需要小孔的需打孔，孔在Ф6以上的可以套孔（打孔机、套孔机） 成型压制的圆柱（Ф80以下）用无心磨进行磨加工（无心磨机）
大于80mm的圆柱，则必须用套孔设备完成
方块需要磨的用大立磨或平磨，或双面磨设备
一些异形产品也可以用直接套瓦来完成
（六）电镀
由于钕铁硼产品防腐蚀性能比较差，因此必须进行表面处理。

1．表面处理的形式
a. 镀锌：蓝白锌、白锌、彩锌、黑锌。

按环保要求又可分三价铬锌（环保锌）和六价铬锌。

b. 镀镍：亮镍、黑镍之分，目前镀镍都是镍铜镍三层电镀方式
c.电泳（环氧镀）：黑环氧、灰环氧之分
d.磷化
e. 镀金、镀铜、镀银、镀锡等
2. 电镀工艺流程
倒角（手工或机械）除油清洗酸洗清洗活化
清洗清洗
机械倒角时间可能会长，因此电镀产品不是很快，必须有一个周期。

（七）信赖性试验
1.跌落试验：用胶水把产品和铁皮粘在一起，从1~1.5m空中自由落下并进行多
次重复，看镀层有没有脱落，跌落试验基本上是验收镀锌产品。

2.划格试验：用刀对镀层进行划格，看镀层的结合情况（镀锌、镀镍都可以）。

3.激冷激热试验：把电镀镍后的产品放在烘箱进行加热（200℃左右），然后放在
水里激冷，这样几个循环，以检验镀镍产品的结合力。

4.PCT试验：（压力煮试验）条件：2个大气压，95%相对湿度，121℃温度时，
检验镀层的结合力。

5.失重试验：Nd-Fe-B由于易氧化，不同的工艺和不同的添加元素，及不同的工
艺控制，失重是不一样的，失重试验的单位是每平方厘米失去多少毫克的重量，美国和欧洲的标准不太一样。

美国要求：PCT：2atm（大气压）95%RH（湿度）121℃，96小时，要求失重为10mg/cm2以下
欧洲要求：Hast试验：3atm（大气压）95%RH（湿度）130℃，240小时，要求失重为10mg/cm2以下
显然欧洲的标准严格得多，而目前国内传统工艺生产的Nd-Fe-B产品PCT试验大部分为80~300 mg/cm2，如果添加钴同时控制工艺常规工艺也可达到10mg/cm2以下。

如果用其他工艺则相对好控制。

6. 盐雾试验：条件是5%的氧化钠，35℃温度，连续喷雾48小时或72小时，镀
层是否有腐蚀物。

7. 恒温恒试：90%湿度，80℃温度；衡量环氧产品的防腐蚀性能。

8. 老化试验：把产品加热到某一温度，保持1-2小时，取出冷却，把加热前
的磁通和加热后的磁通进行对比，衡量产品的温度稳定性。

七、钕铁硼生产销售中碰到的一些问题罗列
(一)生产中碰到的一些问题
1.氧化
2.开裂
3.密度低(剩磁低,磁能积低,可通过烧结来改善)
矫顽力低(可通过时效来改善)
4.缺角
5.磨不出
6.尺寸超差
7.镀层不良
8.温度稳定性差
(二)销售中碰到的问题
1.性能
2.镀种和镀层质量(如盐雾试验)
3.温度系数
4.加工性
5.密度:N系列一般在7.3~7.55g/cm3
H系列一般在7.4~7.6g/cm3
SH系列一般在7.48~7.62g/cm3
UH系列一般在7.52~7.7g/cm3
EH系列一般在7.55~7.75g/cm3
AH系列一般在7.6~7.8 g/cm3
同一系列铸锭料密度低,甩带氢碎密度高,密度越高,产品的电镀性能越好
6.失重:特殊要求的一般都可以做到10mg/cm2(100小时以上)
7.烧结钕铁硼和粘结钕铁硼：烧结Nd-Fe-B是各向异向产品,磁能积高，而粘结Nd-Fe-B是通过粘结剂来压制粘合成型，是各向同性，磁能积低(5-10MGOe)
8.专利问题:钕铁硼专利归日本的住友(现被日立兼并称NEOMAX公司)和美国的MQ(麦格昆磁)共同拥有.
(三)生产的安全问题
钕铁硼易燃,同时为防氧化在生产过程中又加惰性气体生产,因此又易爆,因此安全致关重要,行业里在生产过程中产生的安全问题列举
1..熔炼:
A.熔炼炉产品浇注后由于水泄漏产生高温膨胀造成爆炸(甘肃,宁波企业)
B.合金锭摆放过程中掉地下,砸断操作工趾甲(宁波某企业)
C.甩带炉清洗时氩气没排干净造成员工窒息死亡(北京某企业)
2.制粉:制粉出现的安全事故最多,而且很多是人命大事
A.气流磨过滤管爆炸(山西某企业)
B.库存粉燃烧(山西某企业)
C.搅拌机爆炸(湖州,宁波等很多企业)
D.氢碎炉爆炸(山西,宁波企业)
E.超细粉燃烧(宁波某企业)
3.成型
A.搅拌后储存粉的桶有正压,员工操作不当造成事故(宁波,东阳企业)
B.压机压断指头(钕铁硼企业都发生过,但安装了光控后事故下降)
4.无心磨:磨断指头(陕西某企业)
5.辅助工作:烧结盘打眼时员工违章操作伤指(宁波某企业)
6.充磁:带磁产品由于未标识压断手指(宁波某企业)
（四）何谓三防
防氧化：由于钕很活泼和氧的亲和力很强，容易造成产品氧化
防受潮：空气中的水汽对钕铁硼的质量影响很大，工艺过程中如果设备漏水产品会产生氨味，铸锭（片）长期暴露空气中对产品质量影响很大
防杂质：由于各工艺环节（特别是熔炼、制粉）控制不严、灰尘、异物的进入会造成大批产品的报废
（五）钕铁硼工艺图
熔炼
气流磨搅拌
甩带
成型烧结检测后加工检验包装
充磁
八、烧结钕铁硼永磁材料室温（20℃～25℃）下的磁性能表
见附页：
（续）。