1 引言

釹鐵硼（NdFeB）永磁體自1983年問世以來(lái)[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(guò)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(guó)稀土永磁材料產(chǎn)量達(dá)28萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2025年將突破33萬(wàn)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(shí)用價(jià)值，帶動(dòng)稀土永磁材料進(jìn)入了高速的發(fā)展時(shí)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(guó)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(chǎng)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(shí)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(cè)→磨加工→切削加工→電鍍→成品。

我國(guó)作為稀土資源大國(guó)，在高新產(chǎn)業(yè)和低碳經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，燒結(jié)釹鐵硼磁體的產(chǎn)量得到迅猛的增長(zhǎng)，特別是制備工藝技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)，隨著燒結(jié)釹鐵硼在清潔能源、交通運(yùn)輸和電子信息、自動(dòng)化和機(jī)器人及磁選機(jī)、磁性分離及信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(guò)程中嚴(yán)重破壞，將無(wú)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(guò)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(guò)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(gè)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(guò)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(gè)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(duì)復(fù)雜的磁元器件，具有一次成形、多極取向等特點(diǎn)；注射磁體機(jī)械強(qiáng)度高，可在成形時(shí)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(duì)釹鐵硼快淬磁粉所檢測(cè)的成分和生產(chǎn)工藝具有獨(dú)特的專利授權(quán)制度，對(duì)粘結(jié)釹鐵硼的磁粉產(chǎn)品質(zhì)量擁有絕對(duì)控制權(quán)，從而壟斷了市場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用上受到了較大制約，應(yīng)用范圍也并不像燒結(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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)淬（冷卻速度過(guò)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(guò)程中讓晶粒受熱長(zhǎng)大到接近單疇尺寸，從而在最終磁體中實(shí)現(xiàn)高矯頑力，熱壓過(guò)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(shí)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(shí)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(shì)[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(chǎng)進(jìn)而提高內(nèi)稟矯頑力的同時(shí)，對(duì)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(xiǎn)，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(rùn)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?cái)U(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(guò)配方和工藝的調(diào)整對(duì)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(guò)電磁感應(yīng)渦流退火進(jìn)行晶界調(diào)控，使無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)分步混合、磁場(chǎng)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(guò)優(yōu)化成分與粒徑設(shè)計(jì)（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(shí)，實(shí)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(yùn)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(dòng)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(lì)磁原件，用它來(lái)制造同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定，電壓變化較低，響應(yīng)速度快。新能源混合動(dòng)力車的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)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(lái)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(dòng)器以非接觸式傳動(dòng)[9]，具有不產(chǎn)生摩擦和噪聲的優(yōu)點(diǎn)。所以高性能Nd-Fe-B磁體廣泛用于礦山機(jī)械的動(dòng)輪傳動(dòng)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(chǎng)和微波交變磁場(chǎng)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(cè)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(lái)進(jìn)行檢測(cè)，釹鐵硼稀土永磁材料作為磁路中的傳感源，提高了一個(gè)不損耗能量的無(wú)噪聲磁場(chǎng)。

4.4消費(fèi)電子

3C消費(fèi)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(diǎn)，符合3C消費(fèi)電子產(chǎn)品小型化、輕量化、輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于 VCM、手機(jī)線性馬達(dá)、攝像頭、耳機(jī)、揚(yáng)聲器、主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)等電子元器件。由于3C消費(fèi)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(hào)對(duì)燒結(jié)釹鐵硼進(jìn)行專門化的配套采購(gòu)，相關(guān)市場(chǎng)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(duì)產(chǎn)品性能要求的不斷提高，未來(lái)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(duì)磁性材料性能要求極為苛刻的領(lǐng)域需求。

參考文獻(xiàn)
[1]孫艷榮,肖大慶,高雙林,等.釹鐵硼磁性材料發(fā)展現(xiàn)狀及性能研究[A].工藝與設(shè)備,2021(21):117-119.
[2]胡伯平.稀土永磁材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].磁性材料及器件,2014(02):66-77,80.
[3]查煜.粘結(jié)磁體的制備工藝及性能研究[D].蘭州大學(xué),2006.
[4]沈文娟.各向同性NdFeB粘結(jié)磁體的制備工藝及性能研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2003.
[5]楊應(yīng)昌.新型各向異性稀土永磁材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2011(02):21-24.
[6]胡伯平.釹鐵硼稀土磁體產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場(chǎng)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(yīng)用[J].稀土,2001(03):67-69.