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摘要：釹鐵硼（NdFeB）被譽(yù)為“永磁之王”，在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、人形機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)對高性能釹鐵硼的需求激增。本文結(jié)合近年技術(shù)突破，系統(tǒng)探討高性能釹鐵硼的制備工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：釹鐵硼、稀土永磁、晶界擴(kuò)散
1 引言
釹鐵硼（Nd₂Fe₁₄B）永磁體自1983年問世以來[1]，憑借其卓越的磁性能迅速成為現(xiàn)代工業(yè)的核心功能材料。作為第三代稀土永磁體，其理論磁能積高達(dá)512 kJ/m³（64 MGOe），工業(yè)產(chǎn)品普遍超過440 kJ/m³（55 MGOe），綜合性能遠(yuǎn)超鐵氧體和釤鈷永磁體，被譽(yù)為“磁王”。然而，該材料存在兩大固有缺陷：居里溫度偏低（310-340℃）導(dǎo)致高溫磁衰減顯著，以及易腐蝕特性需依賴表面鍍層防護(hù)。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域需求激增，2023年中國稀土永磁材料產(chǎn)量達(dá)28萬噸，預(yù)計2025年將突破33萬噸。但當(dāng)前材料仍面臨矯頑力不足理論值40%、重稀土（Dy/Tb）依賴度高等瓶頸。
2 釹鐵硼制備工藝與研究現(xiàn)狀
2.1 燒結(jié)釹鐵硼
燒結(jié)釹鐵硼作為最早的制備工藝，最普適的實用價值，帶動稀土永磁材料進(jìn)入了高速的發(fā)展時期，燒結(jié)釹鐵硼以其強(qiáng)大的磁體各向異性和低成本的原材料投入成為了各國的研究目標(biāo)。燒結(jié)釹鐵硼永磁材料采用的是粉末冶金工藝，熔煉后的合金制成粉末并在磁場中壓制成壓坯，壓坯在惰性氣體或真空中燒結(jié)達(dá)到致密化，而且為了提高磁體的矯頑力，通常需要進(jìn)行時效熱處理，其工藝流程為：配料→熔煉→制粉→壓形→燒結(jié)回火→磁性檢測→磨加工→切削加工→電鍍→成品。
我國作為稀土資源大國，在高新產(chǎn)業(yè)和低碳經(jīng)濟(jì)的推動下，燒結(jié)釹鐵硼磁體的產(chǎn)量得到迅猛的增長，特別是制備工藝技術(shù)有了長足的發(fā)展。近年來，隨著燒結(jié)釹鐵硼在清潔能源、交通運輸和電子信息、自動化和機(jī)器人及磁選機(jī)、磁性分離及信號傳輸、傳感器等領(lǐng)域中的應(yīng)用，雙高磁性能（高磁能積（BH）max和高內(nèi)稟矯頑力（HcJ）[2]磁性成為重要的研發(fā)方向，目前理論上的實驗參數(shù)磁能積達(dá)到了64MGOe，矯頑力的理論值為73KOe。
2.2 粘結(jié)釹鐵硼
與燒結(jié)釹鐵硼不同，粘結(jié)磁體的單個粉粒需要擁有足夠高的矯頑力，一旦高矯頑力所要求的多相組織和顯微結(jié)構(gòu)在制粉過程中嚴(yán)重破壞，將無法生產(chǎn)出好的粘結(jié)磁體[3]。所以利用熔旋快淬磁粉的方法，首先將熾熱的熔煉合金傾倒或噴射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪上，形成厚度為100μm的薄帶，由于冷卻速度過快，合金薄帶完全是非晶態(tài)，表現(xiàn)出典型的軟磁特性，再經(jīng)過退火熱處理，非晶態(tài)合金晶化為平均尺寸30-40nm的納米晶，以達(dá)到穩(wěn)定良好的永磁特性，由于熔旋快淬方法制成的是多晶粉末，且每個晶粒的易磁化軸沒有強(qiáng)烈的排列傾向，磁粉是各向同性的[4]。各向異性磁體粉末是通過氫化-歧化-脫氫-重組（HDDR）制備工藝形成的，首先在真空環(huán)境抽到10-6的情況下將Nd-Fe-B合金鑄錠升溫氫化形成氫化物，進(jìn)而歧化分解。保持同樣的溫度將真空再次抽到10-6，合金在真空中脫氫，歧化反應(yīng)逆向發(fā)生，使Nd-Fe-B主相重組，由多個亞微米晶粒構(gòu)成合金粉末顆粒，合金粉末具有良好的永磁特性。粘結(jié)磁體的尺寸精度極高，可以做成形狀相對復(fù)雜的磁元器件，具有一次成形、多極取向等特點；注射磁體機(jī)械強(qiáng)度高，可在成形時與其他配套件注射成一體。
盡管粘結(jié)釹鐵硼工業(yè)和燒結(jié)釹鐵硼同期興起，但是相較而言進(jìn)展較為滯后。其中的影響因素是多種多樣的，主要因素之一是麥格昆磁集團(tuán)對釹鐵硼快淬磁粉所檢測的成分和生產(chǎn)工藝具有獨特的專利授權(quán)制度，對粘結(jié)釹鐵硼的磁粉產(chǎn)品質(zhì)量擁有絕對控制權(quán)，從而壟斷了市場資源。二是由于粘結(jié)釹鐵硼磁體的磁性能和機(jī)械硬度均較低，在實際應(yīng)用上受到了較大制約，應(yīng)用范圍也并不是燒結(jié)釹鐵硼那樣廣泛。粘結(jié)釹鐵硼磁體一般是各向同性的，最高磁能積不過16MGOe[5]；另外，由于粘結(jié)釹鐵硼的生產(chǎn)工藝還有相當(dāng)?shù)木窒�，因此用于粘結(jié)磁體的快淬磁粉生產(chǎn)能力只能適應(yīng)較低端市場的應(yīng)用。目前而言，由于新能源行業(yè)的發(fā)展，研究制造更高性能的各向異性稀土粘結(jié)磁體已成為市場上最新的需求方向。
2.3 熱壓/熱變形釹鐵硼
熱壓/熱變形磁體的制造需要從快淬Nd-Fe-B磁粉開始，而不是直接用鑄態(tài)合金。采用過淬（冷卻速度過快）的條件制備出更細(xì)的晶粒甚至是非晶態(tài)的磁粉，在熱壓和熱變形過程中讓晶粒受熱長大到接近單疇尺寸，從而在最終磁體中實現(xiàn)高矯頑力，熱壓過程是將磁粉裝在模具中在高溫下施加壓強(qiáng)制成各向同性實密度磁體，若將各向同性磁體放到更大口徑的加熱模具中，在受壓方向上變形50%以上，就獲得了相當(dāng)充分的實密度各向異性磁體。由于目前高熱壓（熱變形）釹鐵硼磁體的生產(chǎn)通常采用MQ粉，磁體具有納米晶（微晶）的結(jié)構(gòu)，在不添加重稀土等材料的情況下仍產(chǎn)生了很大的矯頑力，所以在成本上相比于燒結(jié)釹鐵硼磁體還具有了一定優(yōu)勢[6]。
3 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展
3.1 晶界擴(kuò)散
晶界擴(kuò)散是指在磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb，再經(jīng)熱處理使重稀土原子沿著晶界的液相擴(kuò)散，并置換主相晶粒表層中原有的Nd而形成（Nd，Dy，Tb）2Te14B，固溶體，主相晶粒中央并沒有受到太多影響[7]，因此在增強(qiáng)晶粒表的磁晶各向異性場進(jìn)而提高內(nèi)稟矯頑力的同時，對磁體的剩磁和最大磁能積并不產(chǎn)生太大影響。相比傳統(tǒng)的合金化元素添加方法，晶界擴(kuò)散法可以用更低的Tb，Dy重稀土用量獲得高矯頑力磁體。
輕稀土與非稀土擴(kuò)散：為降低資源風(fēng)險，鑭（La）、鈰（Ce）等豐度稀土及銅（Cu）、鋁（Al）被用于晶界調(diào)控。Nd-Zn擴(kuò)散體系可改善晶界浸潤性，形成連續(xù)薄層晶界相，阻隔主相晶粒間的磁交換耦合，矯頑力提升30%以上。非稀土元素擴(kuò)散還能降低電位差并縮小腐蝕通道，同步提升磁體耐腐蝕性。
3.2 晶界調(diào)控
晶界調(diào)控是另一種有效提升矯頑力的技術(shù)方案。通過配方和工藝的調(diào)整對晶界相進(jìn)行調(diào)控，有望降低晶界相的鐵磁性或使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉氰F磁性，從而起到更好地降低或去除晶粒之間磁性耦合的作用，使內(nèi)稟矯頑力在現(xiàn)有水平基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。2014年，Chen[8]等通過電磁感應(yīng)渦流退火進(jìn)行晶界調(diào)控，使無重稀土細(xì)晶粒燒結(jié)釹鐵硼磁體的矯頑力由19.01KOe提高至20.56KOe。早期研究揭示摻Ga可獲得高矯頑力的燒結(jié)釹鐵硼磁體，2010年日本昭和電工專利公布了一種高Ga低B配方的磁體，可在不添加或少添加Tb或Dy的情況下獲得高矯頑力（CN102959648），這使得含Ga燒結(jié)釹鐵硼磁體再度受到關(guān)注。目前，高Ga低B無重稀土合金已經(jīng)用于燒結(jié)釹鐵硼生產(chǎn)中，如典型產(chǎn)品N48H。
3.3 雙主相合金
雙主相工藝通過將兩種不同成分的稀土永磁合金（如Nd₂Fe₁₄B基合金與Y₂Fe₁₄B、Ce₂Fe₁₄B或富La/Ce等高豐度稀土合金）分別進(jìn)行氫破碎、氣流磨制粉，再通過分步混合、磁場取向壓型和多階段燒結(jié)，形成雙主相復(fù)合結(jié)構(gòu)。該工藝的核心在于調(diào)控兩種主相的分布與相互作用，例如讓磁性較弱的高豐度稀土相（如Ce₂Fe₁₄B）富集在Nd₂Fe₁₄B主相晶粒周圍，減弱主相間的磁性耦合作用，從而顯著提升矯頑力；或通過優(yōu)化成分與粒徑設(shè)計（如主相粒徑3–4μm、輔相粒徑2.5–3μm），促進(jìn)燒結(jié)中形成核殼結(jié)構(gòu)晶粒（如富Nd/Pr殼層包裹富Ce/La核心），在降低重稀土用量和生產(chǎn)成本的同時，實現(xiàn)高剩磁、高矯頑力及磁能積的平衡。
4 應(yīng)用領(lǐng)域
4.1永磁電機(jī)
在永磁電機(jī)中，利用永磁體進(jìn)行激磁，不僅可以降低電力消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的，而且可以改善電機(jī)的運行性能。風(fēng)能作為可再生清潔資源受到人們的普遍重視，驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，燒結(jié)Nd-Fe-B是重要的勵磁原件，用它來制造同步發(fā)電機(jī)運行更加穩(wěn)定，電壓變化較低，響應(yīng)速度快。新能源混合動力車的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)均為稀土永磁電機(jī)，還有大量使用由Nd-Fe-B磁體制造的微特電機(jī)。
4.2磁力機(jī)械
磁力機(jī)械利用磁體同極性的排斥力或異極性吸引力來工作，需要永磁體具有高剩磁和高內(nèi)稟矯頑力，此外，由于異磁極相互吸引的原理，構(gòu)成磁力傳動器以非接觸式傳動[9]，具有不產(chǎn)生摩擦和噪聲的優(yōu)點。所以高性能Nd-Fe-B磁體廣泛用于礦山機(jī)械的動輪傳動件，人造衛(wèi)星、宇航器中陀螺儀、渦輪機(jī)上的磁性軸承，以及醫(yī)療設(shè)備輔助心臟工作的血流離心泵的轉(zhuǎn)子軸承等。
4.3航空航天
發(fā)射火箭、衛(wèi)星定位和通信技術(shù)都離不開稀土永磁材料。高性能燒結(jié)Nd-Fe-B尤其利用在雷達(dá)的微波發(fā)射/接收系統(tǒng)，利用恒定磁場和微波交變磁場的的共同作用下出現(xiàn)鐵磁共振效應(yīng)，可做成微波環(huán)行器、隔離器等。另外，在檢測大氣層惡劣環(huán)境中，傳感器技術(shù)是核心部件和首要環(huán)節(jié)，磁性傳感器就是利用磁性或者半導(dǎo)體材料的磁電、磁熱、磁力等效應(yīng)來進(jìn)行檢測，釹鐵硼稀土永磁材料作為磁路中的傳感源，提高了一個不損耗能量的無噪聲磁場。
4.4消費電子
3C消費電子一貫是燒結(jié)釹鐵硼的重要下游行業(yè)。燒結(jié)釹鐵硼具有高磁能積等特點，符合3C消費電子產(chǎn)品小型化、輕量化、輕薄化的發(fā)展趨勢，被廣泛應(yīng)用于 VCM、手機(jī)線性馬達(dá)、攝像頭、耳機(jī)、揚聲器、主軸驅(qū)動電機(jī)等電子元器件。由于3C消費電子產(chǎn)品開發(fā)周期短、更新?lián)Q代快，廠商需根據(jù)產(chǎn)品類別、型號對燒結(jié)釹鐵硼進(jìn)行專門化的配套采購，相關(guān)市場更迭較快。
5 結(jié)論
高性能釹鐵硼作為支撐綠色能源革命的核心材料，其制備與應(yīng)用體系正經(jīng)歷深刻變革。高性能燒結(jié)釹鐵硼的制造，是材料科學(xué)、冶金工程、機(jī)械加工等多學(xué)科交叉融合的成果，每一步都蘊(yùn)含著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)原理和精湛的工程技術(shù)。隨著各行業(yè)對產(chǎn)品性能要求的不斷提高，未來釹鐵硼將朝著更高磁性能的方向發(fā)展�？蒲腥藛T將持續(xù)研發(fā)新的材料配方和制備工藝，進(jìn)一步提高釹鐵硼的磁能積、剩磁強(qiáng)度和內(nèi)稟矯頑力等關(guān)鍵性能指標(biāo)，以滿足如航空航天、高端裝備制造等對磁性材料性能要求極為苛刻的領(lǐng)域需求。
參考文獻(xiàn)
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