综述—永磁材料

Nd-Fe-B系稀土永磁材料的研究进展

邓少杰

合肥工业大学工业与装备技术研究院

摘要钕铁硼磁体被称为第3代稀土永磁材料，是目前综合磁性能比较高的永磁材料。探讨了钕铁硼永磁材料的发展前景以及行业存在的问题，对钕铁硼永磁材料生产和应用现状进行了分析。概述了钕铁硼永磁材料的研究进展和应用领域，介绍了钕铁硼磁体的性能及先进制备工艺。纵观全文，钕铁硼永磁材料已进入一个崭新的发展阶段，应用前景广阔。关键词

稀土永磁材料钕铁硼

磁性能

制备工艺

1绪论

1.1永磁材料的定义

永磁材料又称为硬磁材料，它是一种经过外加强磁场的磁化，再去掉外加磁场之后能长时期保留其较高的剩余磁性能，经受振动、温度等环境因素和不太强的外加磁场的干扰的强磁材料。又因为其具有高的矫顽力，能经受外加不太强的磁场的干扰，故又称硬磁材料。

1.2钕铁硼系稀土永磁材料的现状及研究意义

在钕铁硼刚开始生产应用之初，世界钕铁硼生产能力主要集中在日、美、中、欧等少数国家手中。其中，日、美在永磁的开发、生产和推广应用方面的技术一直处于世界前茅，同时也是最大的永磁消费市场，并形成了几家能力大、质量好、竞争力强的超大规模企业。目前，日本住友特殊金属公司、日本信越化学实业公司、TDK 等在钕铁硼的销量上分居世界第一、二、三位，而中国的北京中科三环高技术股份有限公司与日本的TDK 并列排在第三位。

中国在20世纪80年代初开始从事稀土永磁材料的研究。目前，中国钕铁硼产业已经占全球近80%市场份额，是全球烧结钕铁硼磁体的产业中心。2010年，中国铁硼磁体产量已经超过世界总产量的80%。随着中国对稀土出口限制管理日趋严格，未来中国高性能钕铁硼永磁材料产量将继续扩大，占全球总产量比例有望继续提升。目前，中国钕铁硼永磁材料生产企业已达120多家，国内有5家企业的生产规模已近千吨。而上百吨生产规模的企业有20余家，但所产磁体大部分都是中低档产品，绝大多数应用在性能要求不高的领域。所以，中国烧结钕铁硼产量虽处于世界前列，但所得利润却很有限。从世界范围来看，高性能钕铁硼永磁体发展前景看好，市场竞争力也较强。永磁材料是一种重要的基础功能材料，它的基本功能是提供稳定持久的磁通量，不需要消耗电能，是节约能源的重要手段之一。同时永磁材料使器械和设备结构简单，制造成本和维修保养成本降低[1]。因此，永磁材料的应用面越来越广，应用量越来越大。当今，永磁材料按磁性能的高低，大致可分为2类。一是一般永磁材料，如铝镍钴、铁氧体，磁性能较低，但价格低；二是稀土永磁材料，如钐系磁体（如SmCo5）及钕系磁体（Nd-Fe-B），磁性能较高，但价格贵[2]。随着电子器件的小型化、微型化的发展要求，高性能稀土永磁材料应用越来越广泛。钕铁硼的最大磁能积最高，由于不含贵重金属Sm和Co，价格较低，近年来发展迅速。也因为Nd-Fe-B系永磁材料的性能比传统的永磁材料的要高，称为创世界纪录的磁性材料。并且用金属铁代替稀土永磁一、二代所用的金属钴，以成本低、资源丰富的金属钕代替资源较少的稀土金属钐。再者永磁材料有矫顽力高、剩余磁感应强度高、最大磁能积高和稳定性高这四大优势。而随着当今世界的飞速发展的要求，永磁材料的研究就显得极为必然。

也因钕铁硼是重要的金属功能材料，作为第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人员称为“磁王”，利用其能量的转换

功能和磁的各种物理效应可制成多种样式的功能器件。钕铁硼磁性材料已被广泛应用于航空、航海、电子等众多领域，成为高科技、新兴产业与社会进步的重要物质基础之一。钕铁硼永磁材料的应用可以大大减小整机的体积和质量，如在磁盘上的应用，可以使磁盘驱动器微型化,而且性能更好。在音响器件中，钕铁广泛应用于微型扬声器、耳机及高档汽车的扬声器，大大提高了音响的保真度和信噪比。此外还可以应用于直流电机及核磁共振成像，特别是在磁悬浮列车上的应用不仅数量大,而且可以实现高速运输、安全可靠及噪声小等特点。综上所述，钕铁硼实属高科技新材料。

2钕铁硼系稀土永磁材料的制备工艺

目前我国研究的方法有粉末冶金法、熔体快淬法、还原扩散法、HDDR法、热变形法、双合金法与机械合金法等等。近些年来生产高性能稀土永磁材料常用的方法为快速凝固鳞片铸锭+氢破碎+气流粉碎及SC+HD+JM的工艺。以下是上述的常用或者重点方法的具体介绍。

2.1粉末冶金法

目前我国主要用粉末冶金法（烧结法）生产这种磁体。其主要过程如下：原材料→预处理→配料→熔炼→破碎→细磨→混料→压型→烧结→热处理→机加工→电镀→充磁→检验→包装→入库[3]。合金成分及其微观组织最优化是高性能化烧结Nd-Fe-B永磁的关键。烧结钕铁硼磁体采用粉末冶金工艺，使得烧结磁体内部必然存在一定数目的气孔和缺陷，这在过去的研究中已经发现[4]。气孔和缺陷的存在，一方面使磁体的密度下降，连续性降低，容易产生应力集中；另一方面，气孔的存在使有效承载面积下降。这两方面均为造成材料塑韧性差的原因。

2.2熔体快淬法

在Nd-Fe-B的制取工艺方面除了传统的粉末冶金工艺外，美国GM公司采用先进的快淬工艺技术制备快淬钕铁硼磁体。经对比实验发现，快淬钕铁磁体的矫顽力是普通烧结钕铁磁体的1.5—2倍，温度特性也得到了相应的改善该公司用快淬工艺研制出树脂粘合型Nd-Fe-B 磁体，具有生产能力。

2.3 HDDR法

HDDR过程分为氢化、歧化、脱氢与重组合四个阶段。它是制备稀土金属间化合物磁性粉末的行之有效的方法。1989年，三菱公司的T Takeshita，K kayama发现在相近温度下，对歧化物进行强制脱氢处理，歧化物再脱氢后重新形成细小的Nd2Fe14B相和少量的富Nd相，从而获得了具有高矫顽力的NdFeB磁粉。这四个过程简称为HDDR。脱氢、重合反应是前一个反应的逆反应，反应后的Nd2Fe14B相已经不是铸锭原来的粗大颗粒，而成为细小晶粒的集合体，由于吸氢时产生体积膨胀；很容易破碎成粉末[5,6]。多年来，三菱公司、伯明翰大学、爱知制钢和北京科技大学等企业、高等院校的研究小组对HDDR法制备各向异性粘结Nd-Fe-B 磁粉、粘结Nd-Fe-B磁体，取得了显著进展。

3钕铁硼系稀土永磁材料的性能及影响其因素

3.1性能

钕铁硼永磁材料的主要磁性能参量可分为2类：非结构敏感参量（即内禀参量），如居里温度Tc，主要由材料的化学成分和晶体结构来决定；结构敏感参量，如剩磁Br，最大磁能积Mmax和矫顽力Hcj，这些参量除与内禀参量有关外，还与材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷等显微结构有关[7]。

钕铁硼的居里温度低（312℃），对温度极敏感，在受热时其剩磁、特别是内禀矫顽力下降很快，磁性温度系数很大，改善热稳定性的主要途径是合金化。矫顽力高的永磁材料具有较好的温度稳定性[8]。因此，永磁材料的矫顽力越高,可工作的环境温度也就越高。要使磁体的磁能积达到最大值，必须做到：烧结体的密度接近或达到材料的理论密度；尽可能减少非磁性相的体积分数；铁磁性相晶粒的取向度尽可能高。

钕铁硼的稳定性包括3个内容：热稳定性；受外界磁场干扰的稳定性；时间稳定性[9]。钕铁硼永磁材料热稳定性，即其由于所处环境温度改变而产生的磁性能变化用材料的温度系数来表征。永磁材料的磁性能变化分为不可逆