钕铁硼稀土永磁材料制备技术演变与发展

钕铁硼稀土永磁材料制备技术演变与发展

稀土永磁材料是20世纪60年代出现的新型永磁材料，至今已形成三代，第三代便是以NdFeB合金为代表的Fe基稀土永磁合金。

它由主相Nd2Fe14B和少量富Nd相、少量富B相所组成，是一种三元金属间化合物。化学成分为Nd36%、Fe63%、B约1%。Nd2Fe14B熔点1170℃。用烧结法生产的其磁性能为：最大磁能积（BH）m=199~389kJ/m3,剩磁（Br）=1.31T，矫顽力（Hc）=12.47kOe，居里温度（Tc）=310K,使用温度（t）=100℃,密度=7.4g/cm3硬度（Hv）=600。①从 1983 年，佐川真人发现钕铁硼磁体以来，全球钕铁硼磁体产量从 1983

年的不足 1t，猛增到2006 年的 5 万多 t，其中烧结钕铁硼磁体产量占总量的 90 %，尤其是从 2003 年～2006 年的近 3 年时间内，全球烧结钕铁硼磁体年产量从 2 万t 猛增到 5 万 t，平均年增长率超过 30%。经过 20

多年的发展，烧结钕铁硼磁体的磁能积也由 279kJ/m3 提升至 474kJ/m3。

由于烧结钕铁硼磁体的特性和性价比较传统永磁材料优异，已被广泛应用于计算机、电动机、风力发电机、电动汽车、仪器仪表、磁传动轴承、高保真扬声器、核共振成像仪和航天航空导航器等各行各业，在磁悬浮列车等新兴技术领域具有巨大的潜在应用前景。我国凭借稀土资源优势和生产成本优势，大力发展钕铁硼磁体产业，已成为世界第一生产大国和消费大国。

2006

年，我国采取了一系列宏观调控措施，稀土原材料产品价格大涨，使烧结钕铁硼磁体价格出现了第一次上涨。

其后，随着钕铁硼生产成本的增加以及磁体价格的逐年降低，使得发达国家的磁体生产企业向中国转移，现在只有日本在高性能的磁体领域维持一定的产能。目前我国生产的烧结钕铁硼磁体价格远远低于世界平均价格，一方面是因为我国钕铁硼磁体产品质量不高，另一方面是由于各钕铁硼企业恶性竞争，竞相压价。②

在2003年以前，对烧结钕铁硼永磁材料研究的主要目标是提高其磁能积，而2003年以后则主要集中在提高材料的矫顽力和工作温度方面。

㈠烧结钕铁硼磁体生产工艺的发展

烧结磁体是目前最大宗的商品磁体。其工艺基本沿用制备钐—

钴磁体的粉末冶金法，程序为：熔烧—合金锭粉碎—研磨—磁场下取向成型—烧结—回火时效—充磁检测等。首先将Fe和B冶炼成Fe-

B合金，然后于真空反应炉中按一定要求配比，在Ar气下融化成三元合金，浇铸至水冷铜模中。然后进行制粉，通常采用球磨和气流磨等方法，还有还原扩散制粉，HDDR方法制粉，用快淬技术加球磨或气流磨方法制粉等。

烧结钕铁硼磁体的永磁性能取决于内禀磁性和微结构。内禀磁性主要由材料的化学成分决定，是结构不灵敏。内禀磁性决定了材料宏观磁性能的理论极限，

为得到高性能钕铁硼磁体，首先要提高钕铁硼磁体中磁性相的饱和磁极化强度，可以通过以下措施实现：

（1）保证原材料的纯度，以减少由于杂质元素引起的性能降低；

（2）增加钕铁硼磁体中磁性相的含量，这可以通过合适的成分配比，在保证矫顽力的前提下使得生产后磁体的组分接近磁性相的组分；

（3）提高磁性相的取向度，主要通过生产工艺保证磁体中的颗粒都是单晶颗粒或接近单晶颗粒，并且有良好的颗粒粒径分布。在原材料纯度一定的前提下，生产工艺决定了磁体的性能。

1°铸锭生产工艺及装备的发展③

合金铸锭的显微组织对于后续工艺的制粉环节、磁场取向成型环节、坯料烧结过程都有重要的影响，并进而影响到烧结钕铁硼磁体的性能。从制造永磁材料的角度来看，希望铸锭组织中不存在粗大的α—Fe 枝状晶。（这是由于α—Fe

枝状晶的塑性较好，使铸锭难以破碎，给制粉过程造成困难；同时需延长烧结时间以获得均匀的 Nd2Fe14B晶体。同时，如铸锭组织中存在团块状富 Nd

相，则会影响烧结时富 Nd 相均匀分布。）为了减少α—Fe

枝状晶，可以采用大容量的感应炉，并选用导热性能良好的铜锭模，采用以下两种工艺：一种工艺是把铸锭高温均匀化处理，在1000℃的温度且在惰性气体保护下恒温 10h 左右，可以减少α—

Fe，但该工艺耗费时间、增加成本，不适合工业化批量生产；另一种工艺是双相合金法，即主相和液相分别熔炼、破碎，然后混合、制粉、烧结，这种方法也可以用于生产高性能磁体，但工艺复杂，不适合大批量的工业生产。SC

鳞片技术的出现，使铸锭生产工艺达到最新水平。SC

鳞片技术是将熔融的合金浇注到旋转的水冷铜辊上，生产出鳞片状铸锭，厚度大约0.25～0.35mm。鳞片的冷凝速度快，可以很好的抑制α—Fe

的析出，且鳞片的粉碎性很好，同时鳞片技术改善了富钕相的分布，可以生产磁性能优异的钕铁硼磁体。 2°破碎制粉工艺及装备的发展

钕铁硼粉末的状态，特别是粒径分布、颗粒形状对磁体的取向度和烧结工艺有着重要的影响。粉末制备的传统方法是机械破碎与球磨制粉。机械破碎采用颚式破碎、带筛球磨等方法，在惰性气体保护下进行。球磨制粉有振动球磨和滚动球磨等，振动球磨制备的粉末形状不规则，不利于磁场取向；滚动球磨由于需要汽油保护，工艺复杂，效率不高。目前，钕铁硼厂家基本上都用气流磨制粉。气流磨制粉是采用物料自身的高速碰撞来粉碎，对磨室内壁无磨损，无污染，可以高效率地制备粉末。但是该工艺严重破坏了合金的主相晶粒结构，使富钕相不能均匀分布在主相晶粒边界，特别是对一些晶粒粗大的合金，破碎后的主相晶粒和富钕相各自分离，无法制备高性能的磁体。

现在采用HD工艺，即将钕铁硼合金置于氢气环境下，氢气沿富钕相薄层进入合金，使之膨胀爆裂而破碎，沿富钕相层处开裂，保证了主相晶粒及富钕晶粒间界相的完整。HD

工艺破碎后的气流磨制备的粉末粒度分布集中，表面缺陷少，可以用于制造高性能的磁体。稀土元素极易氧化，由于钕铁硼粉末的粒度特别小，更是易于氧化，因此气流磨制粉的过程中要用惰性气体保护，同时在制粉前添加一定比例的防氧化剂可以保护粉末使之不易氧化，并且可以提高制粉效率。

3°磁场取向成型工艺及装备的发展

磁场取向成型工艺中取向场的大小，与压制方向的相对方向，粉末的松装密度都对磁体的取向度有重要影响。目前已有：①湿压成型技术，是把钕铁硼的粗粉装入喷射式超细粉碎机，超细粉出口处进入溶剂油形成粉浆，注入模具内进行磁场取向成型，该技术粉浆不易氧化，可以取得较高的取向度，所制得的钕铁硼磁体晶粒尺寸小，均匀一致，磁性能较高

；②脉冲磁场取向技术，在压机恒磁场上加脉冲磁场，脉冲磁场一方面可以提高主相颗粒的取向度，还可以提高粉末的松装密度，从而进一步提高取向度，取向度约可提高1.5%

；③橡皮模压技术，将粉末装入橡皮模，在脉冲磁场中进行取向，再在压机的恒磁场中压制成型，在橡皮模中，粉末受到的的是等静压压缩，可以使磁体获得较高的取向度和剩磁，与金属模压相比，剩磁大约可以提高