申亞蘭

我國(guó)因有著得天獨(dú)厚的稀土資源優(yōu)勢(shì)，已成為了全球最大的稀土供應(yīng)國(guó)。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(guó)，稀土永磁產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、改革發(fā)展也步入了攻堅(jiān)階段。當(dāng)下，將稀土及其功能材料的供應(yīng)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為行業(yè)領(lǐng)航優(yōu)勢(shì)、發(fā)展綠色節(jié)能環(huán)保的稀土產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)則制定，成為我國(guó)鞏固和加強(qiáng)作為稀土大國(guó)國(guó)際地位的重要責(zé)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(duì)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、精度高、磁場(chǎng)均勻穩(wěn)定、材料利用率高等綜合優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)粘結(jié)釹鐵硼快淬磁體的工藝特點(diǎn)、行業(yè)發(fā)展概況和應(yīng)用等，進(jìn)行詳細(xì)綜合報(bào)導(dǎo)。

1 NdFeB快淬磁粉的技術(shù)發(fā)展

1.1 NdFeB快淬磁粉的生產(chǎn)設(shè)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(yīng)重熔單輥快淬法（感應(yīng)式法）。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)相繼開(kāi)展了快淬NdFeB材料的研究工作，研究水平與國(guó)外差距不大幾乎同步。但真空感應(yīng)重熔快淬裝備和工藝的核心技術(shù)卻始終未獲突破，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。迫于此國(guó)內(nèi)只好另辟蹊徑進(jìn)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(jìn)行晶化處理。1991年初西南應(yīng)用磁學(xué)研究所（中電九所）成立專門(mén)課題組由申緒方高工帶領(lǐng)與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)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(kāi)展相關(guān)生產(chǎn)工藝技術(shù)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(yīng)的磁體[1]；并于1993年率先建成了國(guó)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(dá)到72kJ/m3（9MGOe）。由于電弧式法投資低、技術(shù)和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在快淬磁粉發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)企業(yè)大多采用的是該技術(shù)。二十多年來(lái)，經(jīng)過(guò)磁粉生產(chǎn)廠家與設(shè)備制造廠家共同協(xié)作并持續(xù)不斷改進(jìn)升級(jí)，目前該項(xiàng)工藝和設(shè)備等技術(shù)已十分成熟。單臺(tái)快淬爐的月產(chǎn)量已提高至上百千克，年產(chǎn)量可達(dá)100多噸；動(dòng)態(tài)連續(xù)晶化爐的年處理量可達(dá)150～200t，同時(shí)磁粉的性能也逐步提升，最大磁能積可達(dá)到104kJ/m3（13MGOe）[2]，而2臺(tái)設(shè)備售價(jià)不超過(guò)80萬(wàn)元，電弧式法達(dá)到了工業(yè)化生產(chǎn)水平。

感應(yīng)式法由于當(dāng)年被美國(guó)專利限制，只有位于天津的美國(guó)麥格昆磁公司（MQI）一家擁有，其重要生產(chǎn)設(shè)備（真空感應(yīng)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(gè)高速旋轉(zhuǎn)的輥輪上，在絕對(duì)真空中甩出薄帶，然后薄帶會(huì)集中落入一個(gè)專門(mén)的破碎腔中進(jìn)行破碎，最后破碎粉進(jìn)入晶化爐中晶化。整個(gè)過(guò)程可連續(xù)生產(chǎn)幾十甚至上百小時(shí)，同時(shí)還可在線取樣檢測(cè)，大大提高了生產(chǎn)效率。采用該感應(yīng)式法生產(chǎn)出來(lái)的磁粉性能最大磁能積可達(dá)到（BH）max=128kJ/m3（16MGOe）。就是這3MGOe的差距，我國(guó)粘結(jié)磁粉的高端市場(chǎng)被MQI壟斷了20多年，直到2014年底專利到期，MQI在高端市場(chǎng)的壟斷份額才被打破，但MQI仍憑借著成熟的技術(shù)控制著高端磁粉在中國(guó)市場(chǎng)的供應(yīng)，如麥格昆磁磁粉牌號(hào)MQP—B粉（最大磁能積15MGOe）和MQP—B+粉（最大磁能積16MGOe）。在美國(guó)專利到期之后，國(guó)內(nèi)能夠制造真空感應(yīng)快淬爐設(shè)備的廠家逐漸成立起來(lái)，目前有3、4家的制造技術(shù)比較成熟，單臺(tái)爐子的價(jià)格由最初的一千多萬(wàn)元降到了五百多萬(wàn)元，制備出來(lái)的磁粉性能普遍已能達(dá)到15MGOe，有的廠家能做到16MGOe。該感應(yīng)式快淬爐最大的優(yōu)勢(shì)就是可以連續(xù)生產(chǎn)幾十甚至上百小時(shí)，每24h可產(chǎn)出2t粉，開(kāi)爐一次最多可產(chǎn)出10t，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，這是電弧快淬爐無(wú)法比擬的，而正因?yàn)槿绱耍叨舜欧鄣膯挝怀杀疽搽S之下降，其價(jià)格與中低端磁粉價(jià)格已相差不大，目前國(guó)內(nèi)許多磁粉生產(chǎn)企業(yè)都同時(shí)具備電弧爐和感應(yīng)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(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的磁粉所具有的獨(dú)特標(biāo)識(shí)。Zr的加入可使磁粉的各項(xiàng)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(diǎn)矯頑力Hk值大?。3]。由于兩相復(fù)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(qiáng)的剩磁增強(qiáng)效應(yīng)，為了制備高剩磁（Br）高Hcj的磁粉，快淬磁粉也變成了雙相復(fù)合材料[4]。Co可以改善磁粉溫度特性和耐腐蝕性，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)快淬磁粉的晶粒本身就比較細(xì)小均勻，Co的加入對(duì)耐腐蝕性影響不大；同時(shí)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(dòng)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(diǎn)矯頑力Hk值。利用感應(yīng)式法制備的磁粉，其成分含量里沒(méi)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(yuǎn)優(yōu)于電弧法，晶化后的納米晶結(jié)構(gòu)也要細(xì)小均勻得多，因此不必用添加Zr的方法來(lái)改善條帶均勻性和細(xì)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(guó)產(chǎn)粉2大陣營(yíng)。為了在專利失效后繼續(xù)維持其市場(chǎng)地位保護(hù)自己的利益，MQI一方面推出各類低成本磁粉與國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，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(hào)磁粉的壓縮成型性能使磁體密度增大，其性能接近高牌號(hào)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(jià)格持續(xù)大幅增長(zhǎng)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(duì)國(guó)產(chǎn)粉技術(shù)和品質(zhì)成熟的性能牌號(hào)13—9粉，MQI也以規(guī)模化批量生產(chǎn)來(lái)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。此外，借助價(jià)格和品牌優(yōu)勢(shì)，MQI還做到了跨過(guò)磁體制造商直接與終端用戶建立緊密聯(lián)系，同時(shí)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)注塑成型顆粒料，從而占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)霸主地位。與此同時(shí)國(guó)產(chǎn)磁粉憑借低價(jià)格和中等性能一直努力并頑強(qiáng)地與MQP粉激烈競(jìng)爭(zhēng)，可望在后專利時(shí)代大舉攻占MQI的中低端市場(chǎng)。沈陽(yáng)新橡樹(shù)和成都銀河等公司在開(kāi)發(fā)高性能磁粉技術(shù)方面做出了不懈的努力，已有15～16MGOe的產(chǎn)品打入高端市場(chǎng)，但離穩(wěn)定批量生產(chǎn)尚有一定距離。近幾年來(lái)，還有一些民企和國(guó)企也進(jìn)入了高端磁粉市場(chǎng)，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(jìng)爭(zhēng)，高端磁粉的價(jià)格必定會(huì)越來(lái)越低，利潤(rùn)也將越來(lái)越薄，那么對(duì)下游粘結(jié)磁體企業(yè)技術(shù)升級(jí)換代的要求就越來(lái)越迫切。

2 粘結(jié)NdFeB磁體的發(fā)展

粘結(jié)磁體成型技術(shù)的難點(diǎn)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(duì)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(chǎng)角度看，由于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備和小家電的迅速發(fā)展，要求主軸電機(jī)用粘結(jié)磁體具有更高的性能及精度，磁壁也越來(lái)越薄，機(jī)械強(qiáng)度也更大。當(dāng)前手機(jī)和卡片機(jī)已普及，其中的自動(dòng)變焦電機(jī)、振動(dòng)小馬達(dá)和快門(mén)等微特電機(jī)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(yīng)用，對(duì)成型工藝及機(jī)械強(qiáng)度提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；隨著節(jié)能家電、傳感器和汽車等電機(jī)在新興市場(chǎng)中的應(yīng)用，推動(dòng)了由鐵氧體有刷電機(jī)轉(zhuǎn)向高性能釹鐵硼無(wú)刷電機(jī)，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(guò)改進(jìn)粘接劑及其混煉工藝，我國(guó)磁體制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)了磁性能、機(jī)械強(qiáng)度等應(yīng)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(shí)進(jìn)一步提高模具加工精度，磁體的動(dòng)平衡得到了大幅改善。硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）市場(chǎng)占有率中國(guó)粘結(jié)NdFeB磁體已達(dá)到3/4以上，光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（ODD）和微型磁體（1g重以下）的占有率接近100%。注射成型技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)落后，日本和歐洲占主導(dǎo)地位，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)在節(jié)能變頻空調(diào)、汽車傳感器等市場(chǎng)強(qiáng)勁需求的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shù)則解決了高精度和擠出加工之間的矛盾，這為開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高精度工控電機(jī)提供了有力的發(fā)展基礎(chǔ)。在柔性粘結(jié)磁體方面，美國(guó)阿諾德、日本的大同電子、MagX、TDK和松下等公司曾做過(guò)專門(mén)研發(fā)，國(guó)內(nèi)的北礦磁材、廣州金南等企業(yè)也做過(guò)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(jìn)入市場(chǎng)。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(guò)2年多的努力則取得了關(guān)鍵技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)出的耐高溫、高強(qiáng)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(guān)的配套設(shè)備；其柔性NdFeB磁體在100℃下能長(zhǎng)時(shí)間保持磁性及尺寸精度，這為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)耐高溫柔性磁體量產(chǎn)技術(shù)指明了方向。

各向異性磁粉一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，它是將快淬磁粉緩慢而高強(qiáng)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(dú)特的加工過(guò)程可以得到納米級(jí)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(chǎng)應(yīng)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(kāi)發(fā)出了高密度各向異性磁體（MQ-III磁體）。中國(guó)科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了熱壓輻射取向環(huán)形永磁體制備技術(shù)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(guò)23kOe，最大磁能積超過(guò)41MGOe，且耐腐蝕性能優(yōu)異，在130℃、2.6atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、240小時(shí)條件下，失重小于1mg/cm3，輻向環(huán)形磁體最小直徑達(dá)到9mm。目前成都銀河的熱壓磁體已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)。

3 粘結(jié)NdFeB磁體的應(yīng)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(tái)灣天越和深圳海美格等。HDD主軸電機(jī)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(jī)主要由上海三環(huán)、成都銀河和臺(tái)灣天越公司生產(chǎn)。目前我國(guó)粘結(jié)NdFeB磁體生產(chǎn)達(dá)到規(guī)模化的企業(yè)，有產(chǎn)量幾十噸/年的，也有產(chǎn)量超過(guò)1000t/a的。近年來(lái)隨著市場(chǎng)需求的增加，一些實(shí)力較強(qiáng)的燒結(jié)磁體企業(yè)也進(jìn)入到了粘結(jié)磁體生產(chǎn)中。經(jīng)過(guò)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(yīng)用

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

目前汽車工業(yè)已是我國(guó)第五大國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，NdFeB永磁電機(jī)的最大應(yīng)用潛力市場(chǎng)之一就是汽車工業(yè)。在每輛汽車中一般有30個(gè)部位要使用永磁電機(jī)，如電動(dòng)座椅、電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)天窗、電動(dòng)門(mén)窗、電動(dòng)雨刮、空調(diào)器等。據(jù)說(shuō)國(guó)外豪華轎車中使用的微電機(jī)數(shù)量達(dá)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(guān)磁體性能越來(lái)越高，這將加快NdFeB永磁，尤其是粘結(jié)NdFeB永磁的發(fā)展。當(dāng)前歐美工業(yè)化國(guó)家的汽車企業(yè)，大量、大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的數(shù)控（NC）機(jī)床數(shù)量在不斷增多，而80%的NC機(jī)床里使用的是直流永磁電機(jī)，主要是因?yàn)榻涣麟姍C(jī)無(wú)法滿足體積小的要求，且NC機(jī)床應(yīng)用環(huán)境溫度不高，這無(wú)疑為粘結(jié)NdFeB磁體開(kāi)辟了一個(gè)廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。此外粘結(jié)NdFeB磁體在共享單車中也有應(yīng)用如電子車鎖。

粘結(jié)NdFeB磁體在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用中最多的是HDD和ODD，不過(guò)由于近年SSD固態(tài)硬盤(pán)的發(fā)展，HDD面臨被取代的危機(jī)，而HDD的主要部件硬盤(pán)磁臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的粘結(jié)磁體也將面臨大幅度下降的壓力。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域尤其智能手機(jī)中，其電聲部分（微型麥克風(fēng)、微型揚(yáng)聲器/受話器、藍(lán)牙耳機(jī)、高保真立體耳機(jī)），振動(dòng)電機(jī)、相機(jī)調(diào)焦甚至以后的傳感器應(yīng)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(jī)市場(chǎng)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，粘結(jié)磁體的需求會(huì)越來(lái)越大。

隨著新興應(yīng)用市場(chǎng)不斷開(kāi)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(jī)等家電的變頻電機(jī)中（電機(jī)磁瓦）的應(yīng)用也越來(lái)越多，預(yù)計(jì)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)保持上升趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)已成為世界永磁材料的生產(chǎn)大國(guó)和制造中心，粘結(jié)永磁行業(yè)企業(yè)要盡快進(jìn)入科技創(chuàng)新—轉(zhuǎn)型升級(jí)—做大做強(qiáng)的良性循環(huán)中，充分利用我國(guó)磁材行業(yè)擁有的天時(shí)、地利、人和的優(yōu)勢(shì)，在人才儲(chǔ)備、技術(shù)創(chuàng)新、管理水平、產(chǎn)業(yè)理念等各個(gè)方面下大功夫，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平，打造高水平磁材及應(yīng)用聚集區(qū)域，生產(chǎn)出更多高附加值和高技術(shù)含量的粘結(jié)永磁產(chǎn)品去參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

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

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