一分鐘了解超強材料——“磁王”釹鐵硼

1 引言

釹鐵硼（NdFeB）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代工業的核心功能材料。作為第三代稀土永磁體，其理論磁能積高達512 kJ/m3（64 MGOe），工業產品普遍超過440 kJ/m3（55 MGOe），綜合性能遠超鐵氧體和釤鈷永磁體，被譽為“磁王”。然而，該材料存在兩大固有缺陷：居里溫度偏低（310-340℃）導致高溫磁衰減顯著，以及易腐蝕特性需依賴表面鍍層防護。在“雙碳”戰略背景下，新能源汽車、風力發電等領域需求激增，2023年中國稀土永磁材料產量達28萬噸，預計2025年將突破33萬噸。但當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狀

2.1燒結釹鐵硼

燒結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入了高速的發展時期，燒結釹鐵硼以其強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。燒結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達到致密化，而且為了提高磁體的矯頑力，通常需要進行時效熱處理，其工藝流程為：配料→熔煉→制粉→壓形→燒結回火→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，在高新產業和低碳經濟的推動下，燒結釹鐵硼磁體的產量得到迅猛的增長，特別是制備工藝技術有了長足的發展。近年來，隨著燒結釹鐵硼在清潔能源、交通運輸和電子信息、自動化和機器人及磁選機、磁性分離及信號傳輸、傳感器等領域中的應用，雙高磁性能（高磁能積（BH）max和高內稟矯頑力HcJ）[2]磁性成為重要的研發方向，目前理論上的實驗參數磁能積達到了64MGOe，矯頑力的理論值為73KOe。

2.2粘結釹鐵硼

與燒結釹鐵硼不同，粘結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構在制粉過程中嚴重破壞，將無法生產出好的粘結磁體[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，表現出典型的軟磁特性，再經過退火熱處理，非晶態合金晶化為平均尺寸30-40nm的納米晶，以達到穩定良好的永磁特性，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，歧化反應逆向發生，使Nd-Fe-B主相重組，由多個亞微米晶粒構成合金粉末顆粒，合金粉末具有良好的永磁特性。粘結磁體的尺寸精度極高，可以做成形狀相對復雜的磁元器件，具有一次成形、多極取向等特點；注射磁體機械強度高，可在成形時與其他配套件注射成一體。

盡管粘結釹鐵硼工業和燒結釹鐵硼同期興起，但是相較而言進展較為滯后。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對釹鐵硼快淬磁粉所檢測的成分和生產工藝具有獨特的專利授權制度，對粘結釹鐵硼的磁粉產品質量擁有絕對控制權，從而壟斷了市場資源。二是由于粘結釹鐵硼磁體的磁性能和機械硬度均較低，在實際應用上受到了較大制約，應用范圍也并不像燒結釹鐵硼那樣廣泛。粘結釹鐵硼磁體一般是各向同性的，最高磁能積不過16MGOe[5]；另外，由于粘結釹鐵硼的生產工藝還有相當的局限，因此用于粘結磁體的快淬磁粉生產能力只能適應較低端市場的應用。目前而言，由于新能源行業的發展，研究制造更高性能的各向異性稀土粘結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，而不是直接用鑄態合金。采用過淬（冷卻速度過快）的條件制備出更細的晶粒甚至是非晶態的磁粉，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）釹鐵硼磁體的生產通常采用MQ粉，磁體具有納米晶（微晶）的結構，在不添加重稀土等材料的情況下仍產生了很大的矯頑力，所以在成本上相比于燒結釹鐵硼磁體還具有了一定優勢[6]。

3 關鍵技術進展

3.1 晶界擴散

晶界擴散是指在磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb，再經熱處理使重稀土原子沿著晶界的液相擴散，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]，因此在增強晶粒表的磁晶各向異性場進而提高內稟矯頑力的同時，對磁體的剩磁和最大磁能積并不產生太大影響。相比傳統的合金化元素添加方法，晶界擴散法可以用更低的Tb，Dy重稀土用量獲得高矯頑力磁體。

輕稀土與非稀土擴散：為降低資源風險，鑭（La）、鈰（Ce）等豐度稀土及銅（Cu）、鋁（Al）被用于晶界調控。Nd-Zn擴散體系可改善晶界浸潤性，形成連續薄層晶界相，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晶界調控

晶界調控是另一種有效提升矯頑力的技術方案。通過配方和工藝的調整對晶界相進行調控，有望降低晶界相的鐵磁性或使其轉變為非鐵磁性，從而起到更好地降低或去除晶粒之間磁性耦合的作用，使內稟矯頑力在現有水平基礎上進一步提高。2014年，Chen[8]等通過電磁感應渦流退火進行晶界調控，使無重稀土細晶粒燒結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燒結釹鐵硼磁體再度受到關注。目前，高Ga低B無重稀土合金已經用于燒結釹鐵硼生產中，如典型產品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，形成雙主相復合結構。該工藝的核心在于調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；或通過優化成分與粒徑設計（如主相粒徑3–4μm、輔相粒徑2.5–3μm），促進燒結中形成核殼結構晶粒（如富Nd/Pr殼層包裹富Ce/La核心），在降低重稀土用量和生產成本的同時，實現高剩磁、高矯頑力及磁能積的平衡。

4 應用領域

4.1永磁電機

在永磁電機中，利用永磁體進行激磁，不僅可以降低電力消耗，達到節約能源的目的，而且可以改善電機的運行性能。風能作為可再生清潔資源受到人們的普遍重視，驅動風力發電的永磁風力發電機中，燒結Nd-Fe-B是重要的勵磁原件，用它來制造同步發電機運行更加穩定，電壓變化較低，響應速度快。新能源混合動力車的發電機和電動機均為稀土永磁電機，還有大量使用由Nd-Fe-B磁體制造的微特電機。

4.2磁力機械

磁力機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稟矯頑力，此外，由于異磁極相互吸引的原理，構成磁力傳動器以非接觸式傳動[9]，具有不產生摩擦和噪聲的優點。所以高性能Nd-Fe-B磁體廣泛用于礦山機械的動輪傳動件，人造衛星、宇航器中陀螺儀、渦輪機上的磁性軸承，以及醫療設備輔助心臟工作的血流離心泵的轉子軸承等。

4.3航空航天

發射火箭、衛星定位和通信技術都離不開稀土永磁材料。高性能燒結Nd-Fe-B尤其利用在雷達的微波發射/接收系統，利用恒定磁場和微波交變磁場的的共同作用下出現鐵磁共振效應，可做成微波環行器、隔離器等。另外，在檢測大氣層惡劣環境中，傳感器技術是核心部件和首要環節，磁性傳感器就是利用磁性或者半導體材料的磁電、磁熱、磁力等效應來進行檢測，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釹鐵硼的重要下游行業。燒結釹鐵硼具有高磁能積等特點，符合3C消費電子產品小型化、輕量化、輕薄化的發展趨勢，被廣泛應用于 VCM、手機線性馬達、攝像頭、耳機、揚聲器、主軸驅動電機等電子元器件。由于3C消費電子產品開發周期短、更新換代快，廠商需根據產品類別、型號對燒結釹鐵硼進行專門化的配套采購，相關市場更迭較快。

5 結論

高性能釹鐵硼作為支撐綠色能源革命的核心材料，其制備與應用體系正經歷深刻變革。高性能燒結釹鐵硼的制造，是材料科學、冶金工程、機械加工等多學科交叉融合的成果，每一步都蘊含著嚴謹的科學原理和精湛的工程技術。隨著各行業對產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展。科研人員將持續研發新的材料配方和制備工藝，進一步提高釹鐵硼的磁能積、剩磁強度和內稟矯頑力等關鍵性能指標，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域需求。

參考文獻
[1]孫艷榮,肖大慶,高雙林,等.釹鐵硼磁性材料發展現狀及性能研究[A].工藝與設備,2021(21):117-119.
[2]胡伯平.稀土永磁材料的現狀與發展趨勢[J].磁性材料及器件,2014(02):66-77,80.
[3]查煜.粘結磁體的制備工藝及性能研究[D].蘭州大學,2006.
[4]沈文娟.各向同性NdFeB粘結磁體的制備工藝及性能研究[D].河北工業大學,2003.
[5]楊應昌.新型各向異性稀土永磁材料產業化開發進展[J].新材料產業,2011(02):21-24.
[6]胡伯平.釹鐵硼稀土磁體產業發展及市場前景[J].磁性材料及器件,2012(06):1-8
[7]Hirota K, Nakamura H, Minowa T, etal. IEEE Transactions on Magnetics[J],2006,42(10):2909-2911.
[8]Zhu M G, Li W, Wang J, etal. IEEE Transactions on Magnetics[U],2014,50(1):1000104
[9]祝捷.稀土永磁體的新應用[J].稀土,2001(03):67-69.