我国粘结钕铁硼永磁材料的技术发展及应用现状

申亚兰

我国因有着得天独厚的稀土资源优势，已成为了全球最大的稀土供应国。目前，全球稀土功能材料中稀土永磁体90%以上的产能集中在我国，稀土永磁产业的转型升级、改革发展也步入了攻坚阶段。当下，将稀土及其功能材料的供应优势转化为行业领航优势、发展绿色节能环保的稀土产业经济、主导产业规则制定，成为我国巩固和加强作为稀土大国国际地位的重要责任。钕铁硼（NdFeB）永磁材料是稀土永磁材料的代表，根据生产工艺不同，可分为烧结、粘结和热压3种，粘结钕铁硼永磁体的磁性能虽然不如烧结钕铁硼高，但其生产工艺相对简单、成本低、体积小、精度高、磁场均匀稳定、材料利用率高等综合优势。本文将对粘结钕铁硼快淬磁体的工艺特点、行业发展概况和应用等，进行详细综合报导。

1 NdFeB快淬磁粉的技术发展

1.1 NdFeB快淬磁粉的生产设备

粘结钕铁硼永磁体是将钕铁硼快淬磁粉与高分子材料及各种添加剂均匀混合，再用模压或注射成型工艺制成的磁体，其性能主要由NdFeB快淬磁粉的性能决定，目前制备NdFeB快淬磁粉的工艺方法有2种：真空电弧重熔溢流快淬法（电弧式法）和真空感应重熔单辊快淬法（感应式法）。20世纪80年代中期，国内多家研究机构和大学相继开展了快淬NdFeB材料的研究工作，研究水平与国外差距不大幾乎同步。但真空感应重熔快淬装备和工艺的核心技术却始终未获突破，导致无法进行产业化批量生产。迫于此国内只好另辟蹊径进入真空电弧重熔溢流法（电弧式法）研究。其工作原理是将合金铸锭破碎成3～10mm的颗粒，装入快淬炉中起弧熔化，熔液飞溅到快速旋转的辊轮上，甩成厚30～50μm、宽1～30mm的非晶薄带，然后球磨破碎成粉再进行晶化处理。1991年初西南应用磁学研究所（中电九所）成立专门课题组由申绪方高工带领与中国核动力研究设计院合作，首先研制成功了制备快淬磁粉的真空电弧快淬炉，之后课题组继续开展相关生产工艺技术研究，确定了“钕铁硼钴锆”这一材料组分，生产出了磁能积大于64kJ/m3（8MGOe）的粘结快淬磁粉和相应的磁体[1]；并于1993年率先建成了国内第一条快淬钕铁硼磁粉中试生产线，快淬磁粉的最大磁能积达到72kJ/m3（9MGOe）。由于电弧式法投资低、技术和操作相对简单，在快淬磁粉发展初期，国内企业大多采用的是该技术。二十多年来，经过磁粉生产厂家与设备制造厂家共同协作并持续不断改进升级，目前该项工艺和设备等技术已十分成熟。单台快淬炉的月产量已提高至上百千克，年产量可达100多吨；动态连续晶化炉的年处理量可达150～200t，同时磁粉的性能也逐步提升，最大磁能积可达到104kJ/m3（13MGOe）[2]，而2台设备售价不超过80万元，电弧式法达到了工业化生产水平。

感应式法由于当年被美国专利限制，只有位于天津的美国麦格昆磁公司（MQI）一家拥有，其重要生产设备（真空感应快淬炉）也由MQI公司控制。其主要工作原理是将合金铸锭重新熔炼，高温熔液被浇到一个高速旋转的辊轮上，在绝对真空中甩出薄带，然后薄带会集中落入一个专门的破碎腔中进行破碎，最后破碎粉进入晶化炉中晶化。整个过程可连续生产几十甚至上百小时，同时还可在线取样检测，大大提高了生产效率。采用该感应式法生产出来的磁粉性能最大磁能积可达到（BH）max=128kJ/m3（16MGOe）。就是这3MGOe的差距，我国粘结磁粉的高端市场被MQI垄断了20多年，直到2014年底专利到期，MQI在高端市场的垄断份额才被打破，但MQI仍凭借着成熟的技术控制着高端磁粉在中国市场的供应，如麦格昆磁磁粉牌号MQP—B粉（最大磁能积15MGOe）和MQP—B+粉（最大磁能积16MGOe）。在美国专利到期之后，国内能够制造真空感应快淬炉设备的厂家逐渐成立起来，目前有3、4家的制造技术比较成熟，单台炉子的价格由最初的一千多万元降到了五百多万元，制备出来的磁粉性能普遍已能达到15MGOe，有的厂家能做到16MGOe。该感应式快淬炉最大的优势就是可以连续生产几十甚至上百小时，每24h可产出2t粉，开炉一次最多可产出10t，实现了产业化批量生产，这是电弧快淬炉无法比拟的，而正因为如此，高端磁粉的单位成本也随之下降，其价格与中低端磁粉价格已相差不大，目前国内许多磁粉生产企业都同时具备电弧炉和感应炉。

1.2 NdFeB快淬磁粉的材料组分

电弧式法的材料组分为Nd—Fe—钴（Co）—B—锆（Zr），其中Zr是国内企业生产的磁粉所具有的独特标识。Zr的加入可使磁粉的各项性能有大幅度提高，有利于提高内禀矫顽力（Hcj）、改善退磁曲线的矩形度（膝点矫顽力Hk值大小）[3]。由于两相复合合金（由α—Fe纳米晶软磁性相及Nd2Fe14B硬磁性相组成）具有很强的剩磁增强效应，为了制备高剩磁（Br）高Hcj的磁粉，快淬磁粉也变成了双相复合材料[4]。Co可以改善磁粉温度特性和耐腐蚀性，但后来发现快淬磁粉的晶粒本身就比较细小均匀，Co的加入对耐腐蚀性影响不大；同时粘结磁体的使用环境温度也不高，因此逐渐将Co含量降低或取消。在快淬磁粉制备工艺中，Zr可改善合金熔铸液的流动性，有助于合金液在辊轮上连续成膜，使条带均匀性好，从而改善磁粉退磁曲线的矩形度，提高膝点矫顽力Hk值。利用感应式法制备的磁粉，其成分含量里没有添加Zr，这是由于用该法所制得的快淬带表面平整性、带宽一致性远优于电弧法，晶化后的纳米晶结构也要细小均匀得多，因此不必用添加Zr的方法来改善条带均匀性和细化晶粒。

1.3 NdFeB快淬磁粉的现状

NdFeB快淬磁粉分为MQP粉和国产粉2大阵营。为了在专利失效后继续维持其市场地位保护自己的利益，MQI一方面推出各类低成本磁粉与国内竞争，另一方面将高端磁粉所具有的高剩磁和退磁曲线矩形度好等重要性能特征列入其权利要求，如改善低牌号磁粉的压缩成型性能使磁体密度增大，其性能接近高牌号磁粉但成本更低；或在配方中添加镧（La）、铈（Ce），磁粉性能虽不及传统产品，但成本可大幅度降低，可替代铁氧体。在镨钕金属价格持续大幅增长的现状下，La、Ce的添加可部分取代镨钕含量，有利于降低生产成本。针对国产粉技术和品质成熟的性能牌号13—9粉，MQI也以规模化批量生产来参与市场竞争。此外，借助价格和品牌优势，MQI还做到了跨过磁体制造商直接与终端用户建立紧密联系，同时开发生产注塑成型颗粒料，从而占据整个市场霸主地位。与此同时国产磁粉凭借低价格和中等性能一直努力并顽强地与MQP粉激烈竞争，可望在后专利时代大举攻占MQI的中低端市场。沈阳新橡树和成都银河等公司在开发高性能磁粉技术方面做出了不懈的努力，已有15～16MGOe的产品打入高端市场，但离稳定批量生产尚有一定距离。近几年来，还有一些民企和国企也进入了高端磁粉市场，如位于江西、天津的某公司和航天系统内的企业，如此多的企业参与竞争，高端磁粉的价格必定会越来越低，利润也将越来越薄，那么对下游粘结磁体企业技术升级换代的要求就越来越迫切。

2 粘结NdFeB磁体的发展

粘结磁体成型技术的难点是要确保磁体乃至数亿只产品在磁性均匀和高精度尺寸方面的一致性，针对粘接剂不同的加工特性，粘结磁体有压缩、注射、挤出和压延四种成型方式。从市场角度看，由于消费电子、计算机存储设备和小家电的迅速发展，要求主轴电机用粘结磁体具有更高的性能及精度，磁壁也越来越薄，机械强度也更大。当前手机和卡片机已普及，其中的自动变焦电机、振动小马达和快门等微特电机的体积越做越小，要求粘结磁体也须小和薄，厚度小于0.5mm超薄磁体的应用，对成型工艺及机械强度提出了严峻挑战；随着节能家电、传感器和汽车等电机在新兴市场中的应用，推动了由铁氧体有刷电机转向高性能钕铁硼无刷电机，使用的粘结磁体不仅要求性能高、温度稳定性好而且尺寸也大（直径大于60～80mm）。因此，粘结磁体将朝着高性能、大型化的方向发展，或者朝着薄壁化、小型化方向发展。

粘结磁体压缩成型方面，经过改进粘接剂及其混炼工艺，我国磁体制造企业实现了磁性能、机械强度等应用性能与填充压制等加工性能二者良好的优化组合，同时进一步提高模具加工精度，磁体的动平衡得到了大幅改善。硬盘驱动器（HDD）市场占有率中国粘结NdFeB磁体已达到3/4以上，光盘驱动器（ODD）和微型磁体（1g重以下）的占有率接近100%。注射成型技术方面，国内发展相对落后，日本和欧洲占主导地位，但近年来国内企业在节能变频空调、汽車传感器等市场强劲需求的驱动下，以尼龙和聚苯硫醚（PPS）为粘接剂的注射磁体已形成一定的规模，并实现了磁体与金属/塑料组件一体化成型。大直径薄壁磁体（外径50～60mm、壁厚0.8～1.0mm）的连续挤出技术则解决了高精度和挤出加工之间的矛盾，这为开发和应用高精度工控电机提供了有力的发展基础。在柔性粘结磁体方面，美国阿诺德、日本的大同电子、MagX、TDK和松下等公司曾做过专门研发，国内的北矿磁材、广州金南等企业也做过有效尝试，但因柔性粘接剂耐温特性和磁粉抗氧化性不佳，该类磁体仍未大规模进入市场。得益于耐高温橡胶和热塑性弹性体的快速发展，中科三环经过2年多的努力则取得了关键技术突破，开发出的耐高温、高强度粘接剂体系适用于高性能粘结磁粉，如混炼—压延/挤出成型—精密切割工艺，以及与该体系相关的配套设备；其柔性NdFeB磁体在100℃下能长时间保持磁性及尺寸精度，这为进一步开发耐高温柔性磁体量产技术指明了方向。

各向异性磁粉一直是大家关注的焦点和热点，它是将快淬磁粉缓慢而高强度热压变形，诱发晶粒择优取向制成致密块体，最后破碎成合适的颗粒尺寸大小。这种各向异性磁粉同传统的各向同性粉相比，具有更高的磁能积（>285kJ/m3≈35.6MGOe）和更高的剩磁（>1.24T=12400Gs）[5]。这种独特的加工过程可以得到纳米级的晶粒尺寸，很适合制作性能优异的全密度各向异性的辐射取向薄壁磁环。但由于生产能耗大、成本高、效率低、成品率低等原因，市场应用十分有限。利用热压-热变形工艺MQI联合日本大同公司共同开发出了高密度各向异性磁体（MQ-III磁体）。中国科学院磁性材料与器件重点实验室在国内率先开展了热压辐射取向环形永磁体制备技术的研究，目前取得了一系列显著成果，研制出的热压磁体矫顽力超过23kOe，最大磁能积超过41MGOe，且耐腐蚀性能优异，在130℃、2.6atm（标准大气压）、240小时条件下，失重小于1mg/cm3，辐向环形磁体最小直径达到9mm。目前成都银河的热压磁体已经进入量产。

3 粘结NdFeB磁体的应用发展

3.1 粘结磁体生产企业

东南亚是全球粘结NdFeB磁体生产的主要聚集区，规模较大的代表性制造企业有成都银河、上海三环、日本大同电子、日本美蓓亚、台湾天越和深圳海美格等。HDD主轴电机磁体主要由成都银河、上海三环、日本大同三家企业生产，ODD主轴电机主要由上海三环、成都银河和台湾天越公司生产。目前我国粘结NdFeB磁体生产达到规模化的企业，有产量几十吨/年的，也有产量超过1000t/a的。近年来随着市场需求的增加，一些实力较强的烧结磁体企业也进入到了粘结磁体生产中。经过十余多年的发展成都银河现已跻身世界粘结NdFeB永磁行业的第一名。

3.2 粘结NdFeB磁体的应用

粘结NdFeB磁体主要应用于计算机、汽车、仪器仪表、家用电器、手机等行业的各种微特电机里，现分别介绍如下。

目前汽车工业已是我国第五大国民经济发展的支柱产业，NdFeB永磁电机的最大应用潜力市场之一就是汽车工业。在每辆汽车中一般有30个部位要使用永磁电机，如电动座椅、电动后视镜、电动天窗、电动门窗、电动雨刮、空调器等。据说国外豪华轿车中使用的微电机数量达到了70只。汽车向小型化、轻量化和高性能化的发展，促使相关磁体性能越来越高，这将加快NdFeB永磁，尤其是粘结NdFeB永磁的发展。当前欧美工业化国家的汽车企业，大量、大批生产自动化所需的数控（NC）机床数量在不断增多，而80%的NC机床里使用的是直流永磁电机，主要是因为交流电机无法满足体积小的要求，且NC机床应用环境温度不高，这无疑为粘结NdFeB磁体开辟了一个广阔的应用市场。此外粘结NdFeB磁体在共享单车中也有应用如电子车锁。

粘结NdFeB磁体在计算机领域应用中最多的是HDD和ODD，不过由于近年SSD固态硬盘的发展，HDD面临被取代的危机，而HDD的主要部件硬盘磁臂驱动电机所需的粘结磁体也将面临大幅度下降的压力。

在消费电子领域尤其智能手机中，其电声部分（微型麦克风、微型扬声器/受话器、蓝牙耳机、高保真立体耳机），振动电机、相机调焦甚至以后的传感器应用都需要用到粘结NdFeB磁体，它已成为一种不可或缺的高端配件组成。相信随着智能手机市场的稳步增长，粘结磁体的需求会越来越大。

随着新兴应用市场不断开发并快速发展，粘结NdFeB磁体在变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等家电的变频电机中（电机磁瓦）的应用也越来越多，预计在未来一段时间内会保持上升趋势。

4 结语

当前我国已成为世界永磁材料的生产大国和制造中心，粘结永磁行业企业要尽快进入科技创新—转型升级—做大做强的良性循环中，充分利用我国磁材行业拥有的天时、地利、人和的优势，在人才储备、技术创新、管理水平、产业理念等各个方面下大功夫，尽快实现产业的转型升级，提升我国新材料产业的整体技术水平，打造高水平磁材及应用聚集区域，生产出更多高附加值和高技术含量的粘结永磁产品去参与国际竞争。

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

参考文献

[1] 申绪方，王永强，刘远富.各向同性NdFeB粘结磁体的制备[A]//全国粘结磁体会议论文集[C].1991.

[2] 申绪方，王永强，刘远富.快淬NdFeB磁粉及粘结磁体的制备[J].磁性材料及器件，1992，23（3）：1—5.

[3] 王永强，李兆波，李世贵，等.国内快淬钕铁硼磁粉生产技术及其装备的发展—电弧重熔溢流快淬与晶化工艺的改进[J].磁性材料及器件，2007，38（6）：34—41.

[4] 周寿增，董清飞.超强永磁体-稀土铁系永磁材料[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[5] Miller D.新型高性能各向异性MQA磁粉及其粘结磁体的性能及在电机中的应用[J].磁性材料及器件，2010，41（1）：40—42.