稀土永磁材料

稀土永磁材料

摘要：本文综述了稀土永磁材料的相关概念，概括其发展背景，介绍了稀土元素的电子结构与稀土永磁材料性能的关系。并对当今国内外的研究现状以及其广阔的应用前景进行了简要说明。同时介绍了稀土永磁材料的典型代表——钕铁硼。系统的描述了钕铁硼永磁材料的生产制备工艺、材料性能特点及其应用前景，并对未来稀土永磁材料的发展进行了现实的展望。 关键词：稀土永磁材料；钕铁硼；材料性能；研究现状；前景

0 引言

磁性功能材料是指具有可利用的磁学性质的材料，目前普遍称之为“磁性材料”。 按照功能分，其可分为：易被外磁场磁化的磁芯材料(软磁性材料)；可发生持续稳定磁场的永磁性材料(硬磁性材料)；通过变化磁化方向进行信息记录的磁记录材料(软磁性材料)；通过光(或热)使磁化强弱发生变化进行记录与再生的光记录材料；在磁场作用下使电阻发生变化的磁致电阻材料；因磁化使尺寸发生变化的磁致伸缩材料；形状可以自由变化的磁性流体等。而稀土永磁材料作为一种功能材料,是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。它在电源、交通、机械化工、医疗、电力、电子、信息及日常生活等领域有着广泛的应用。稀土永磁是永磁材料中的佼佼者, 特别是新型稀土永磁材料钕铁硼更是由于其性能优异、价格低廉, 在许多方面得到了广泛应用, 被誉为第三代稀土永磁材料——“永磁王”。

1983年，日本住友特殊金属公司首先研究成功钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁合金，并发现钕铁硼磁性材料的磁性能优于钐钴合金磁体材料，且大大降低了生产成本，其磁能积理论值(BH)max达到640kJ/m3，而实际最大磁能积(BH)max=400~490kJ/m3，是目前磁性能最好的永磁材料，所以钕铁硼逐渐成为支撑现代电子信息产业的重要基础材料之一，与我们的生活息息相关。此外，它具有高磁能积、低能耗、低密度、高机械强度等优点；但是，它也有明显缺陷：居里点和工作温度低，温度系数高和抗腐蚀性能差而使它的应用受到限制。

工业的发展使磁性材料与国计民生密切相关，并广泛应用于计算机、汽车、仪器、仪表、家用电器、石油化工、医疗保健、航空航天等行业中的各种微特电机，核磁振共振设备、电器件、磁分离设备、磁力机械、磁疗器械等需产生强间隙磁场的元器件，成为工业社会必不可少的重要材料。钕铁硼材料作为稀土材料最重要的应用领域之一。随着计算机、移动电话、汽车电话等通讯设备的普及和节能汽车的高速发展，世界对高性能稀土永磁材料的需求量迅速增长。1998年世界钕铁硼(包括烧结磁体和粘结磁体)的产量高达11300吨，近年来年增长率均保持在30%以上。稀土永磁材料发展之快令人瞩目。因而研究钕铁硼永磁材料进而找到弥补其缺陷的有效方法甚至在研究基础上再寻求到一种更为优良的稀土永磁材料具有了更加深远的现实意义，这也势必将推动工业的发展。本文综述了有关钕铁硼永磁材料的相关知识及动态。

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1稀土永磁材料概述

1.1 稀土永磁材料概念

稀土永磁材料是将衫、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金, 用粉末冶金方法压型烧结, 经磁场充磁后制得的一种磁性材料。主要分为稀土钴永磁材料、稀土钕永磁材料、稀土铁氮（Re-Fe-N系）或稀土铁碳(（Re-Fe-C系）永磁材料3类。其中稀土永

磁材料中SmCo磁体的磁能积在15-30MGOe之间, 具有极高的内享矫顽力和较好的温度特性, 稀土钕永磁材料中钕铁硼系永磁体的磁能积在27-50MGOe之间, 是目前磁性最高的永磁材料[2]。

作为目前性能最好的最新的永磁材料——稀土永磁材料是由轻RE元素和铁族元素中的铁、钴、铜等金属或非金属元素硼、氮、碳等组成的金属间化合物经过适当的工艺处理后制备的。

从60年代末期稀土永磁材料问世以来，迄今已发展有两大类、三代产品。现有铈、镨、钕、钐、镝、铒等RE元素使用于永磁材料，品种及其磁性能都处于发展和提高阶段。第一代稀土永磁材料是1:5型SmCo5磁性材料，简称为1:5型磁性材料。它具有很高的磁各向异性常数和高磁能积。第二代稀土永磁材料是2:17型Sm2Co17磁性材料，简称为2:17型磁性材料。它的磁能积高于1:5型SmCo5磁性材料，达到300KJ/m。

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1.2 稀土元素的电子结构与稀土永磁材料性能的关系

稀土材料的矫顽力(Hc)很高，是永磁铁氧体的3~4倍，剩余磁感应强度(Br)和铝镍钴(AlNiCo)系合金相当，最大磁能级(BH)max是铝镍钴系合金的2~4倍。

稀土永磁材料的优异磁性能和稀土元素的特殊电子结构有关： (1)镧系元素的7个4f 轨道中，可容纳7个未成对的电子而d 过渡元素中的5个d 轨道最多能容纳5个未成对电子。所以，除镧和镥元素外，镧系元素是元素周期表中顺磁磁化率最大的一族元素。

(2)镧系元素的4f 轨道中的电子受5s25p6轨道的电子屏蔽，受外场影响小，原子之间的相互作用也小。主要是作用力较弱的导电电子的间接交换作用。d 族过渡元素 d 电子受外场的影响较大，元素之间的相互作用表现为直接交换。

(3)轻稀土元素化合物的饱和磁化强度大于重稀土元素化合物。在稀土和铁族元素的金属化合物中，因为3d 铁族原子(如Fe、Co、Ni、Cu、Zn等) 的电子之间存在着极强的直接交换作用，使传导电子负极化，促使3d 铁族原子和4f 稀土原子的自旋磁矩反平行。

(4)某些稀土化合物具有很高的磁各向异性常数 K。几乎所有的稀土钴化合物(RECo5)在室温下都有单轴各向异性。

(5)某些稀土化合物具有极高的磁致伸缩系数(λs)。

(6)某些稀土化合物具有极高的磁光旋转能力。

(7)稀土永磁材料的最大缺陷是居里点 (Tc) 低。但是，1 : 5型SmCo5和2 : 17型Sm2Co17磁性材料的居里点 (Tc) 高,常温下是铁磁性物质。

1.3 稀土永磁材料的现状及前景

1.3.1 全球稀土永磁产业现状

近年来，由于发达国家生产成本升高，而国际市场磁体价格却不断下降，在这些国家继续生产磁体已难以为继，因此以美、欧为代表的西方发达国家相关磁材企业纷纷进行了产业调整，使钕铁硼产业的国际格局发生了重大变化。自1990年以来，全球烧结钕铁硼磁体产量增长迅猛，年均增长率稳定在25%左右。进入21世纪，日、美、欧等发达国家稀土永磁产业的发展止步不前，而中国稀土永磁产业的超常发展，这使得全球稀土永磁产业依然保持了迅猛增长的态势。2005年，全球烧结钕铁硼产量为42300吨，中国的产量为33000吨，占世界总产量的78%，保持着强劲的增长态势。日本烧结钕铁硼磁体原地踏步，处于维持状态。而美国烧结钕铁硼磁体2004年后全部消亡。 1.3.2 中国稀土永磁产业现状

至1983年底，国内的稀土永磁生产厂家不到10个，随着第三代稀土永磁钕铁硼磁体的发展，大量的工厂在1985年以后涌现了出来。据初步统计，目前全国稀土永磁生产企业有上百余家，其中年生产能力超过3000吨的4家，年生产能力1000吨—3000吨的6家，500

吨—1000吨的8家。

为了保护和合理利用我国稀土矿产资源，国家出台宏观调控政策，规范、整顿了矿山开采秩序，对稀土行业进行了全面整顿。2005年以来，稀土价格持续攀升，使得稀土钕和镨供应紧张。由于稀土永磁电机需求增加，特别是在环保绿色的混合动力电动汽车带动下，电机用高工作温度烧结钕铁硼使用量急剧增加，这给重稀土Tb、Dy的供应造成了一定的压力。稀土原材料价格的大幅上涨、人民币升值这些都对国内钕铁硼行业带来了负面影响，特别是对于生产低端产品的工厂，面临着较大的挑战。

近年来，我国稀土永磁的生产装备也有了长足的进步，特别是在满足一些新生产工艺的装备方面有了很大突破，例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同时也给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术有限公司与日本真空株式会社共同投资在沈阳高新技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，第一批连续烧结炉和速凝薄片炉已开始投放市场。 1.3.3 稀土永磁材料的前景

目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性材料所占的地位越来越重要。而作为朝阳产业，稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重，它的新应用成长点在不断涌现，特别是信息产业为代表的知识经济的发展，给稀土永磁功能材料不断带来新的前景。它除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面有着广泛应用外，在汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始并日趋发展，这势必将极大地带动钕铁硼产业的发展。

永磁体作为稀土材料最重要的应用领域之一,是支撑现代电子信息产业发展的基础材料人们的生活息息相关。因为稀土永磁体没有激磁损耗, 不发热, 电效率高, 用它制造的电机重量可减小30%以上[2]。所以较之以其他材料，钕铁硼永磁体更适合当今工业发展的需求，它势必将成为工业上的又一次材料革命。可以预见的是，Nd-Fe-B永磁体在电脑中硬盘驱动器及其它电机的应用, 应是Nd-Fe-B永磁后延应用发展的重要方向[2]。

而中国已经成为全球最大的稀土永磁生产基地，同时也是潜在的稀土永磁应用市场。因为我国有着丰富的稀土资源，较低的人工成本和更为广阔的市场，国外的钕铁硼制造业逐步呈现向中国转移的态势，这意味着中国必将成为世界一流的稀土永磁材料供应基地。而国外先进的钕铁硼永磁材料制造商进驻中国，一方面会对中国稀土永磁企业带来挑战，另一方面也会将先进的技术、管理经验带入中国，进一步推动中国稀土永磁产业的发展，这也将是中国难得的机遇。我国对稀土永磁体的需求增长率持续在20 %左右。在未来10 年内,我国将成为世界稀土永磁材料的制造中心[4]。

面对着这难得的机遇与挑战，一方面，我国要继续加强新型稀土磁性材料的探索、加强高档稀土磁性材料的开发、使我国稀土磁性材料能持续发展。另一方面，稀土磁性企业也要加强自身的整合，不断提高管理和技术水平，力求在国外稀土产业向中国转移的过程中保持主动地位；通过与国外先进稀土磁性企业加强合作，互助互利，使稀土磁性产业更好地扎根于中国，以便中国的稀土磁性产业更好地发展，最终服务于全球永磁产业。

跨入21世纪，中国的磁性材料产业以然得到了进一步发展，年增长超过20%。初步统计，2004年中国烧结铁氧体达到350，000吨(占全球总 量的51%)，粘结铁氧体50，000吨(占全球总量的32%)；烧结钕铁硼永磁达到27,510吨(占全球总量的81%)，粘结钕铁硼永磁达到1350吨(占全球总量的35%)；铸造磁体3,500吨(占全球总量的56%)。可以预见中国永磁产业前景无限光明。

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2钕铁硼永磁材料概述

2.1 钕铁硼的生产

2.1.1 原材料

(1)NdFeB。以钕(Nd≥99％)，铁(Fe≥99％)和硼(B≥99％，或用20％B-Fe)为主要原料，并加入少量的钴(CO≥99％)，镝(Dy≥99％)和铽(Tb≥99％)，以改善磁体的磁性能。

(2)粘结NdFeB。以Nd、Fe和B≥99％(或20％B-Fe)为原料制成，以相关树脂等作为粘结剂

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2.1.2 烧结钕铁硼的生产工艺

钕铁硼永磁材料的制备主要有粉末冶金法(烧结法)、还原扩散法、熔体快淬法、黏结法、铸造法等。其中粉末冶金烧结法和快淬黏结法在生产中应用最为广泛。 (1) 烧结法

? 生产工艺。用含量99％以上的Nd、Fe、B为主原料，适量加入CO和Dy。按照磁体的组

成比例进行称重配料后，放入真空感应炉进行熔称(充入氩气进行保护)，铸锭，制粉，压型。其主要工艺过程为：原材料一预处理一配料一真空熔炼一铸锭一破碎一细磨一混料一压型一烧结一热处理一机加工一表面处理一充磁一检验一包装一入库(烧结NdFeB产品)。

? 主要设备。真空感应炉，破碎机，气流磨，压型机，烧结炉，加工机器和充磁器等。这些设备我国均可供应解决。

? 工艺指标。主要原料Nd、Fe和B的总回收可达95％以上，磁件的成品率约为70％。制

得的烧结磁体以Nd2Fe14B为主相。一般磁件的最大磁能积(BH)m在360KJ／m 3(45MGQe)以上。 (2) 快淬黏结法

? 首先将熔融的金属流直接喷射到高速旋转的冷衬底上，使熔体急速凝固，并用惰性气体

进行保护以防氧化（快淬制粉）

? 然后将Nd-Fe-B磁性粉末和黏结剂(胶黏剂)及助剂经一系列加工(压制)而得永磁体（黏

结压制）。 ? 成型后的磁体经(100-150)℃×lh的固化处理以提高其密度和结合力。

磁体的成型方法主要有四种：压缩成型、注射成型、挤压成型和压延成型。对各向异性磁粉，必须在磁场下压制成型，以提高取向度和剩磁。

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2.2 钕铁硼永磁材料性能

钕铁硼永磁体大多应用于各种电动机、磁共振成像、电声器件、计算机、磁选、磁分离和磁悬浮运输等应用技术领域。在电子、机械、交通、通讯、电力、国防、石油、化工、选矿采矿、医疗、环保等领域的发展中起着重要的作用，为适应新的发展需要，国内外都在致力于研究开发新型Nd-Fe-B永磁材料，目前研究开发的高性能Nd-Fe-B永磁材料集中在以下四类：高矫顽力磁体、 高磁能积磁体、高温度稳定性磁体、抗腐蚀性磁体。

钕铁硼永磁体的磁性能优异于铁氧体（Ferrite）、铝镍钴（AlNiCo）、衫钴（SmCo）等永磁材料。钕铁硼的剩磁约是铁氧体的3~5倍, 是铝镍钴、杉钴永磁的1~2倍, 其内察矫顽力相当于铁氧体的5~10倍, 是铝镍钴的5~15倍。钕铁硼永磁的去磁曲线为直线, 回复直线与去磁曲线基本重合, 回复磁导率与衫钴永磁中的Sm2Co17, 永磁相当。钕铁硼水磁抗磁场干扰能力强, 不怕去磁等, 因而钕铁硼兼有铁氧体、铝镍钴、衫钴永磁的优点[7]。

钕铁硼永磁的缺点是工作温度低, 剩磁温度系数大;温度高于150℃时磁性能的不可逆损失超过5%;在高温潮湿环境钕严重氧化, 磁体锈蚀现象严重;热稳定和化学稳定性差[8]。

2.3钕铁硼永磁材料前景

钕铁硼水磁优异的磁性能使其在微特电机中获得了广泛应用, 尤其在计算机、汽车、家

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电、办公自动化设备、纺织、数控机床等领域的微特电机上应用前景广阔。

烧结NdFeB更是广泛应用于微波通讯技术、电机工程、电声器件、磁力机械、磁分离技术、磁化技术、磁疗器械应用等诸多方面。，近年来烧结NdFeB的应用更获得了新的进展。如高能核磁机处理自来水，可杀死有害细菌，降低人体的血脂血糖；磁化酒处理后可缩短酒

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的陈化时问，提高酒的质量，降低血脂血糖等等。

3总结

稀土永磁材料快速发展，前景广阔。目前，材料学家们已开始考虑向Nd-Fe-B三元系中添加各种微量金属来改进Nd-Fe-B系的使用性能。

(1) Nd-Fe-T-B(T=Cr、Mn、Co、Ni、Al)系四元稀土合金永磁体 (2) Nd(Pr、Ce)-Fe-B系稀土合金永磁体 (3) MM-Fe-B系合金

另外还有向Nd-Fe-B中加入Pr、Si或Al等元素，形成Nd(Pr)-Fe-B-Si(Al)系合金和加入Dy、Co、Al、Ga等元素形成Nd0.8Dy0.2(Fe0.86-xCo0.06B0.08Mx)5.5等多元系稀土合金永磁体。希望开发这些稀土永磁体来获取重荷载的高热稳定磁性材料。与此同时，近年来，氮间隙的稀土金属间化合物Sm2Fe17Ny、RE(Fe,M)12Nx等比钕铁硼(Nd2Fe14B)有更高的居里点和内禀矫顽力等磁特性，有希望成为新一代稀土永磁材料。相信不久的的将来，我们会改良出更高效的稀土永磁材料。

参考文献：

[1]水平连铸启铸时水口容易冻住是什么原因？如何避免？[J].南方钢铁,1995,03:36. [2]刘润红.稀土磁性材料的应用及前景[J].有色金属工业，2002，01：60.

[3]黄俊伟.稀土永磁材料及其应用发展现状[J].［EB/OL］. http://www.smehen.gov.cn/ArtPaper/Show.aspx?id=1224590,2010-06-09/2011-06-05. [4]稀土磁性材料前景无限[J].国外金属矿选矿，2005，05：45. [5] 罗阳.磁性材料专业论坛文集[C],2004:64-80.

[6]林河成.中国稀土永磁材料的发展现状及前景[J].矿业快报,2006,10:1-2.

[7]杨大伟.钕铁硼稀土永磁材料在微特电机中的应用[J].江苏机械制造与自动化，1995，04：1.

[8]杨大伟.钕铁硼稀土永磁材料及其在微特电机中的应用[J].电子工程师，1996，05：46.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u46f.html