烧结钕铁硼永磁材料_贾成厂

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永磁材料

DOI: 10.3969/j.issn.1000–6826.2013.03.003

烧结钕铁硼永磁材料

Sintered Nd-Fe-B permanent magnet materials

供稿

|贾成厂, 孙爱芝 / JIA Cheng-chang, SUN Ai-zhi

内容导读

烧结钕铁硼 (NdFeB) 永磁材料是第三代稀土永磁材料,也是重要的新型稀土功能材料。烧结钕铁硼材料的磁性能很好,最大磁能积比一般永磁体都好,被人们称为“永磁王”。 烧结钕铁硼性能好且性价比高,利于实现电子产品的小型化和超薄化,在很多家电产品中均有应用。同时,烧结钕铁硼材料还能使器件的整体性能得到极大改善。烧结钕铁硼永磁材料应用领域扩展迅速,发展潜力较大,前景十分看好。

物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用。中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。中国古代有用天然磁铁作为指南针的神话故事和记载;早在战国时期就有关于天然磁性材料(如磁铁矿)的记载;11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法;1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用;1099~1102年有指南针用于航海的记述,同时还发现了地磁偏角的现象,见图1。

现代磁性材料已经

广泛应用在我们的生活之中。例如将永磁材料用作马达,应用于变压器中的铁芯材料,作为存储器使用的磁光盘,计算机用磁记录软盘等。可以说,当代生活中磁性材

料已经与信息化、自动化、机电一体化、国防以及国民经济的方方面面紧密相关。

性物质、抗磁性物质、铁磁性物质、亚磁性物质、反磁性物质。

其中,顺磁性物质和抗磁性物质被称为弱磁性物质,铁磁性物质被称为强磁性物质。强磁性物质就是磁性材料。磁性材料按磁化后去磁的难易程度可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料的矫顽力较小,而硬磁性材料的矫顽力较大。

图1 中国古代的指南针——司南

永磁材料

永磁材料一经外磁场磁化后,即使在相当大的反向磁场作用下,仍能保持一部分或大部分原磁化方向的磁性。永磁材料相

磁性材料

根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁

作者单位:北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083

2013年第3期

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料——钕铁硼(NdFeB),这一重大研究成果在永磁材料发展史上具有划时代的意义。钕铁硼磁性材料自问世以来,因其具有高的剩磁、矫顽力和最大磁能积,且原料资源丰富、成本低廉,已获得广泛应用。

20世纪80年代中期,中国已能生产钕铁型永磁合金,由于它

图2 永磁材料的发展历程

的磁性能比SmCo5和Sm2Co17更为优良,且所用的材料如钕、铁和硼更易供给及价格低廉,故发展迅速。烧结钕铁硼磁体的理论磁能积为512 kJ·m-3,是稀土永磁材料中最有代表性的一类材料,也是目前实现产业化磁能积最高的一类磁体。

在近20多年的研究中, 钕铁硼永磁材料磁性能指标不断刷新,磁能积从238 kJ·m-3发展到目前的大于440 kJ·m-3,是磁性材料中发展最快的。日本在钕铁硼磁体上的研究发展最为迅速,目前住友特殊金属公司采用先进的片铸

(SC)工艺磁体制备技术制备钕铁硼磁体的磁能积已达460 kJ·m-3。

对于软磁材料而言,亦称为硬磁材料。永磁材料要求材料剩余磁感应强度Br高,矫顽力HC(即抗退磁能力)强,最大磁能积(BH)max(即给空间提供的磁场能量)大。

永磁金属从19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金性能提高了200多倍,见图2。

永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类。①合金类:包括铸造合金、烧结合金和可加工合金。铸造合金的主要品种有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W);烧结合金有:Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等;可加工合金有:Fe-CrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等,后两种中矫顽力较低者亦称半永磁材料。②铁氧体类:主要成分为MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。③金属间化合物类:主要以MnBi为代表。

永磁材料有多种用途:①基于电磁力作用原理的应用主要有扬声器、话筒、电表、电机、继电器、传感器等。②基于磁电作用原理的应用主要有磁控管和10

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行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、磁性玩具、磁性标牌、磁性密码锁等。其他方面的应用还有:磁疗、磁化水、磁麻醉等。

根据使用的需要,永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性的差别。

钕铁硼永磁材料

钕铁硼永磁材料是以金属间化合物Nd2Fe14B为基础的永磁材料。主要成分为铁(Fe)、硼(B)、稀土金属钕(Nd)。为了获得不同性能,其中稀土金属Nd可用部分镝(Dy)、镨(Pr)等其他稀土金属替代;铁也可被钴(Co)、铝

(Al)等其他金属部分替代;硼的含量较小,但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用,使得化合物具有高饱和磁化强度,高的单轴各向异性和较高的居里温度。

材料性能

钕铁硼永磁材料的主要磁性能参量可分为2类:非结构敏感参量(即内禀参量),如居里温度Tc,主要由材料的化学成分和晶体织构来决定;结构敏感参量,如剩磁、最大磁能积和矫顽力,这些参量除与内禀参量有关外,还与材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷等显微结构有关。

钕铁硼的居里温度低(312℃),对温度极敏感,在受热时其剩磁、特别是内禀

矫顽力下降很快,磁性温度系数很大,改善热稳

发展概况

1983年日本住友特殊金属公司研制成功一种新型稀土永磁材

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永磁材料

定性的主要途径是合金化。

通常矫顽力高的永磁材料具有较好的温度稳定性,因此,钕铁硼永磁材料的矫顽力越高,可工作的环境温度也就越高。

要使钕铁硼磁体的最大磁能积达到最大值,必须做到:烧结体的密度接近或达到材料的理论密度;尽可能减少非磁性相的体积分数;铁磁性相晶粒的取向度尽可能高。

钕铁硼永磁体的稳定性包括3个内容:热稳定性、受外界磁场干扰的稳定性、时间稳定性。钕铁硼永磁体一般作为磁场源,在一定空隙内提供恒定的磁场。对于精密仪器仪表和磁性器件,要求在工作环境下外界条件变化时

磁体提供的磁场要稳定。与其他永磁材料相比,早期的烧结钕铁硼永磁材料的稳定性要差很多,一般只能在小于100℃温度下工作,而高矫顽力系列的工作温度也不能超过150℃,适用于200℃以上的已经很少。但近些年来的发展,使用温度也有利明显的提

高,高性能产品的最高工作温度已超过200℃。目前,制约烧结钕铁硼永磁材料推广应用的关键问题之一仍然是其热稳定性,解决好这一问题有着非常重要的意义。

过气流磨制粉后压制成形与烧结而成,其最大磁能积(BH)max高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。烧结钕铁硼非常坚硬和脆、但可以切割加工不同的形状和钻孔,见图3(a)。由于它的物质含量容易导致锈蚀,所以根据不同要求必须对表面进行不同的凃层处理 (如镀Zn,Ni,Au,Epoxy等)。

(2) 黏结钕铁硼(Bonded NdFeB)——黏结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等黏结剂均匀混合,然后用压缩、挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形,无需二次加工、可直接做成各种复杂的形状,

见图3(b)。

材料分类

钕铁硼Nd2Fe14B永磁材料按生产工艺不同分为:

(1) 烧结钕铁硼(Sin

tered NdFeB)——烧结钕铁硼永磁体经

图3 钕铁硼永磁材料

制备工艺

目前我国主要用粉末冶金法(烧结法)生产这种磁体(烧结NdFeB),其主要过程如下:原材料→预处理→配料→熔炼→破碎→细磨→混料→压型→烧结→热处理→机加工→电镀→充磁→检验→包装→入库(NdFeB产品)。合金成分及其微观组织最优化是高性能化烧结NdFeB永磁的关键。

因此,采用先进的片铸工艺并与氢爆工艺相配合,在气流磨过程中加入防氧化剂可在不降低矫顽力的前提下,获得磁能积超过400 kJ/m3的烧结NdFeB永磁。

NdFeB的制取工艺除了传统的粉末冶金工艺外,美国GM公司采用先进的快淬工艺制备了快淬钕铁硼磁体。经对比实验发现,快淬钕铁磁体的H

cj是普通烧结钕

铁磁体的1.5~2倍,温度特性也得到了相应改善。

烧结钕铁硼永磁材料

化学成分

烧结钕铁硼永磁材料是以钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)等为基本原材料,少量添加镝(Dy)、铽(Tb)、钴(Co)、铌(Nb)、镓(Ga)、铝(Al)、铜(Cu)等元素,应用粉末冶金工艺制

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造的一种铁基永磁材料。

烧结NdFeB永磁是第三代稀土永磁材料,也是重要的新型稀土功能材料,发展很快。烧结钕铁硼永磁体的最大磁能积值是铁氧体磁铁的5~12倍,是铝镍钴磁铁的3~10倍;它的矫顽力相当于铁氧体磁铁的5~10倍,铝镍钴磁铁的5~15倍,其潜在的磁性能极高,能吸起相当于自身重量640

倍的重物。由于烧结NdFeB永磁的磁性能很好,因此当今人们称其为“永磁王”,应用领域快速扩展,发展潜力较大,前景十分看好。

制造工艺

烧结钕铁硼永磁材料采用的是粉末冶金工艺,熔炼后的合金制成粉末并在磁场中压制成压坯,压坯在惰性气体或真空中烧结达到致密化,为了提高磁体的矫顽力,通常需要进行时效热处理。

图4 气流磨粉碎机的工作原理

为提高制粉效率,气流磨制粉机采用多个喷嘴,以便在磨室内形成一个物料流态化的区域。

点是取向度较高。

烧结

Nd-Fe-B粉末压坯的相对密度一般为50%~70%,颗粒间的接触是机械接触,结合强度低,颗粒可能发生弹性与塑性变形。这样的压坯不具备高性能磁体的显

微组织。为了提高密度、改变颗粒之间的接触性质、提高强度、使磁体具有高性能磁体的显微组织,必须将压坯进行烧结。它是

压坯

为了获得高的磁性能,一般采用磁场成形(图5)。有平行与垂直两种方式。压力方向与取向磁场方向平行,该方法操作简便,效率高,可以制造

轴向取向圆环,设备易于制造。压力方向与取向磁场方向垂直,该方法的优

制粉

对磁粉的要求:①粉末的颗粒尺寸小,且尺寸分布窄,要求3~4μm的颗粒占80%~90%,不要有小于1μm和大于7μm的颗粒存在,以保证所有的粉末颗粒都是单晶体。②粉末颗粒呈球状或近似球状。③粉末颗粒的晶体缺陷要尽可能的少。④粉末颗粒表面吸附的杂质和气体要尽可能的少,尤其是含氧量应小于1500×10-6。

可以采用气流磨制粉(图4)。利用气流将粉末颗粒加速到超音速使之相互对撞而破碎。两个颗粒碰撞时,产生巨大的动量,在该动量的作用下,粉末颗粒破碎成更细的粉末。该动量仅有一小部分转变为表面能,大部分转变为声能、热量和晶格畸变能量。12

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图5 磁场成形示意图

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永磁材料

制造烧结Nd-Fe-B永磁材料的关键技术之一,对Nd-Fe-B永磁材料的性能有非常重要的影响。

性能烧结钕铁硼永磁材料还将有更大需求 。

宇宙中的反物质也称为暗物质,天文学上是指宇宙中用光学方法看不到的物质,其特征是既不发光,也不与光作用,只存在万有引力。反物质是一个重大科

图8 汽车的电动助力转向器

应用进展

烧结钕铁硼永磁材料在日常生活用品中有较为广泛的应用,如一般电动工具、手表、照相机、录音机、VCD等。由于该材料性能好且性价比高,利于实现电子产品的小型化和超薄化,因此现在很多的家电产品中均有应用;同时,该材料还能使器件的整体性能得到极大改善,这也是其蓬勃发展的重要原因之一。

电脑磁盘、光盘驱动器(图6)和打印机驱动头应用钕铁硼永磁体较多,计算机已成为钕铁硼永磁材料的主要应用领域之一。

随着医疗水平的不断提升,我国对中高档医疗器械的需求持续增长,几乎每家稍具规模的医院都有核磁共振成像仪(图7),该设备就使用了大量的高性能烧结

钕铁硼永磁材料(每台设备使用超强永磁材料1 t以上)。

稀土永磁电机因没有激磁线圈和铁芯,而损耗与发热大幅度减少,能够节省能源。稀土永磁高效电机可节能15 %~20 %,电机质量减轻20 %以上。目前稀土永磁电机的产量还不是很大。如果用稀土永磁电机能进一步代替传统系列电机,则对烧结钕铁硼类永磁材料的需求将会更大。

在汽车工业领域,烧结钕铁硼永磁材料已应用于汽车的点火线圈、电动助力转向器(图8)、各种控制电机和汽车音响等。随着人们生活水平的提高,汽车工业将进一步发展,因而该行业对高

学命题,反物质是否存在?如果存在,那么在哪里呢?

因此,找到一种探测反物质和暗物质的方法就显得特别重要。于是,“阿尔法磁谱仪”就诞生了。其核心部件是一块外径1.6 m、内径1.2 m、重2 t的钕铁硼环状永磁体。“阿尔法磁谱仪”实验由华裔美国科学家、诺贝尔奖获得者丁肇中教授所领导,美国、中国、德国等10多个国家和地区的许多科学家参加了研究与设计工作。“阿尔法磁谱仪”核心部件如果使用常规磁铁,则会因为太空中四处弥漫的磁场的影响而无法在太空中运行,而使用超导磁体又必须在

低温下运行,也不现实,什么材料最合适

呢?中国科学家倡议制作了完全

图6 光盘驱动器

图7 核磁共振成像仪图9 阿尔法磁谱仪的原理

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在高端的计算机和计算机外围设备等市场竞争力还很弱,而这方面竞争力最强的是烧结钕铁硼的发明和生产强国日本,其次是美国。美国烧结钕铁硼永磁材料在核磁共振成像仪器的应用方面具有很强的实力,但在机电、音像

图10 阿尔法磁谱仪

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电子和通讯电子领域的实力则较弱,这与美国原材料匮乏、人力资源成本较高和大量的生产企业向海外转移有关。

因此,我国应该抓住这一机遇,加大对烧结钕铁硼永磁材料的研发力度。

符合太空运行要求的钕铁硼永磁体,装进了“阿尔法磁谱仪”,为其捕捉反物质和暗物质信息提供强大的磁力。该磁铁的成功研制展示了中国科学家的聪明才智。科学史上会记住这一辉煌时刻:美国东部时间1998年6月2日18时10分,伴随着火箭震耳欲聋的轰鸣,“发现号”航天飞机在万众瞩目下腾空而起,直刺苍穹。“发现号”这一次携带了去

太空探寻反物质和暗物质的宇宙探测器“阿尔法磁谱仪”,它带回的信息可能使人类更加接近破解宇宙形成之谜!

研究方向与前景

目前国内烧结钕铁硼永磁材料生产中存在的主要问题是永磁材料性能与国外相比还有较大的差距,特别是热稳定性差,再有就是耐蚀性较差。提高NdFeB的表面防护水平,满足各种应用环境的要求,是提高NdFeB产品质量、性能,进而提高其档次的关键。由于NdFeB的市场前景及重要地位,国外各生产商皆把NdFeB的表面防护技术作为重要技术秘密,因此要提高产品竞争力、占领国际市场、发挥稀土大国的资源优势,必须发展具有我国自主知识产权的钕铁硼永磁材料防护技术。

中国是世界上开发和生产钕铁硼系稀土永磁材料起步较早的国家之一。依据我国的国情,发展钕铁硼系稀土永磁材料产业非常适宜,需要投入更多的人力和物力以加快对钕铁硼系稀土永磁材料的基础研究及工业化生产研究。

国内外应用比较

目前我国烧结钕铁硼永磁材料主要用于普通音响、磁化器及除蜡器、电机及传感器中,预计今后在电机和音圈马达等领域的应用将会进一步增加。

据了解,烧结钕铁硼永磁材料在西方国家的主要应用领域是音圈马达、永磁电机、核磁共振仪、高档音响设备等,我国在这些方面的应用还相对较少。尽管我国烧结钕铁硼的应用在音像电子领域处于优势地位,但这一领域也仅仅是该材料应用的低端市场。

我国烧结钕铁硼永磁材料14

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(下转第18页)

德克萨斯州金属探测俱乐部协会 (Texas Association of Metal Detecting Clubs,简称TAMDC) 是美国众多金属探测俱乐部中比较有代表性的一个。它的宗旨是通过教育和指导来团结、促进和鼓励德克萨斯州的金属探测俱乐部。TAMDC现下属有奥斯汀金属探测俱乐部、东德克萨斯州寻宝者协会、中德克萨斯州宝藏俱乐部、西南搜索、金三角探险家协会等16个会员俱乐部。它为各俱乐部和会员制定了13条道德准则,其中包括尊重他人的权利和财产、遵守法律、不破坏历史建筑、不破坏原有的土地和植被等规则,实际上也可以算是公众使用金属探测器的行为准则。

相对于英美等发达国家而言,金属探测器在我国的使用还相对较少。我国是一个历史悠久的文明古国,拥有丰富的地下文物遗产。然而,20世纪80年代以来,随着国家大规模的基础设施建设和“文物收藏热”引发的文物盗掘,我国的地下文物面临无法挽回的破坏。在这种形势下,仅仅依靠国家历史文物部门的力量来进行保护是远远不够的,如何充分动员大众力量来保存和保

(上接第14页)

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性黏结稀土永磁材料的研究和开发状况. 磁性材料及器件,2005,12:7-12.

护我国的历史文物是一个重要的问题。如果我们能正确引导公众使用金属探测器的探宝行为,鼓励公众与专家学者的交流,使公众在专家的指导下使用金属探测器,将有助于我国文物考古知识的普及和公众考古事业的发展。但是,如果不能善加引导,也会带来诸多问题,比如文物归属、遗址破坏和文物偷盗等问题。因为,并不是任何文物都可以私自收藏,也并不是任何地区都可以进行金属探测活动。相反,私自收藏珍贵易损文物,有可能会造成文物不可逆的毁坏以致重要历史信息的遗失。在重要遗址遗迹的探测、挖掘行为则可能会加剧遗迹的消失和遗址的破坏。面对以上种种问题,我国亟需改变公众与考古分离的旧观念,制定公众使用金属探测器参与考古的法律法规,规范公众参与考古的行为。同时借鉴国际已有的实践经验,使金属探测器更好地服务于我国的公众考古。

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作者简介

杜晓俊 (1988—),男,浙江德清人,广西民族大学硕士研究生,研究方向为科技史与科技考古。

汪常明 (1978—),男,湖北通城人,中国科学院自然科学史研究所博士后,研究方向为科技史与科技考古。

参考文献

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育出版社, 2006: 73,75.

期刊《金属世界》杂志特约撰稿人。

作者简介

贾成厂,男,日本TOHOKU大学博士,日本神奈川科技园博士后,北京科技大学教授、博士生导师,010-62334271,jcc@ustb.edu.cn,主要社会兼职有中国复合材料学会理事、中国金属学会粉末冶金分会副理事长兼秘书长,《复合材料学报》、《粉末冶金技术》、《粉末冶金工业》等期刊的编委,冶金行业惟一高级科普

主编、参编学术专著12本,获国家发明专利20余项,获教育部科技进步二等奖等多项奖励,发表学术论文200余篇,其中被SCI检索70余篇,被EI检索130余篇,单篇他引次数超过100次。

孙爱芝,博士,副教授,主要从事磁性功能材料的研究,先后获教育部科技进步二等奖、中国有色金属工业科学技术二等奖等多项奖励,发表论文50余篇,E-mail: sunaizhi@126.com。

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|贾成厂, 孙爱芝 / JIA Cheng-chang, SUN Ai-zhi

内容导读

烧结钕铁硼 (NdFeB) 永磁材料是第三代稀土永磁材料,也是重要的新型稀土功能材料。烧结钕铁硼材料的磁性能很好,最大磁能积比一般永磁体都好,被人们称为“永磁王”。 烧结钕铁硼性能好且性价比高,利于实现电子产品的小型化和超薄化,在很多家电产品中均有应用。同时,烧结钕铁硼材料还能使器件的整体性能得到极大改善。烧结钕铁硼永磁材料应用领域扩展迅速,发展潜力较大,前景十分看好。

物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用。中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。中国古代有用天然磁铁作为指南针的神话故事和记载;早在战国时期就有关于天然磁性材料(如磁铁矿)的记载;11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法;1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用;1099~1102年有指南针用于航海的记述,同时还发现了地磁偏角的现象,见图1。

现代磁性材料已经

广泛应用在我们的生活之中。例如将永磁材料用作马达,应用于变压器中的铁芯材料,作为存储器使用的磁光盘,计算机用磁记录软盘等。可以说,当代生活中磁性材

料已经与信息化、自动化、机电一体化、国防以及国民经济的方方面面紧密相关。

性物质、抗磁性物质、铁磁性物质、亚磁性物质、反磁性物质。

其中,顺磁性物质和抗磁性物质被称为弱磁性物质,铁磁性物质被称为强磁性物质。强磁性物质就是磁性材料。磁性材料按磁化后去磁的难易程度可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料的矫顽力较小,而硬磁性材料的矫顽力较大。

图1 中国古代的指南针——司南

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根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁

作者单位:北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083

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料——钕铁硼(NdFeB),这一重大研究成果在永磁材料发展史上具有划时代的意义。钕铁硼磁性材料自问世以来,因其具有高的剩磁、矫顽力和最大磁能积,且原料资源丰富、成本低廉,已获得广泛应用。

20世纪80年代中期,中国已能生产钕铁型永磁合金,由于它

图2 永磁材料的发展历程

的磁性能比SmCo5和Sm2Co17更为优良,且所用的材料如钕、铁和硼更易供给及价格低廉,故发展迅速。烧结钕铁硼磁体的理论磁能积为512 kJ·m-3,是稀土永磁材料中最有代表性的一类材料,也是目前实现产业化磁能积最高的一类磁体。

在近20多年的研究中, 钕铁硼永磁材料磁性能指标不断刷新,磁能积从238 kJ·m-3发展到目前的大于440 kJ·m-3,是磁性材料中发展最快的。日本在钕铁硼磁体上的研究发展最为迅速,目前住友特殊金属公司采用先进的片铸

(SC)工艺磁体制备技术制备钕铁硼磁体的磁能积已达460 kJ·m-3。

对于软磁材料而言,亦称为硬磁材料。永磁材料要求材料剩余磁感应强度Br高,矫顽力HC(即抗退磁能力)强,最大磁能积(BH)max(即给空间提供的磁场能量)大。

永磁金属从19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金性能提高了200多倍,见图2。

永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类。①合金类:包括铸造合金、烧结合金和可加工合金。铸造合金的主要品种有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W);烧结合金有:Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等;可加工合金有:Fe-CrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等,后两种中矫顽力较低者亦称半永磁材料。②铁氧体类:主要成分为MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。③金属间化合物类:主要以MnBi为代表。

永磁材料有多种用途:①基于电磁力作用原理的应用主要有扬声器、话筒、电表、电机、继电器、传感器等。②基于磁电作用原理的应用主要有磁控管和10

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行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、磁性玩具、磁性标牌、磁性密码锁等。其他方面的应用还有:磁疗、磁化水、磁麻醉等。

根据使用的需要,永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性的差别。

钕铁硼永磁材料

钕铁硼永磁材料是以金属间化合物Nd2Fe14B为基础的永磁材料。主要成分为铁(Fe)、硼(B)、稀土金属钕(Nd)。为了获得不同性能,其中稀土金属Nd可用部分镝(Dy)、镨(Pr)等其他稀土金属替代;铁也可被钴(Co)、铝

(Al)等其他金属部分替代;硼的含量较小,但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用,使得化合物具有高饱和磁化强度,高的单轴各向异性和较高的居里温度。

材料性能

钕铁硼永磁材料的主要磁性能参量可分为2类:非结构敏感参量(即内禀参量),如居里温度Tc,主要由材料的化学成分和晶体织构来决定;结构敏感参量,如剩磁、最大磁能积和矫顽力,这些参量除与内禀参量有关外,还与材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷等显微结构有关。

钕铁硼的居里温度低(312℃),对温度极敏感,在受热时其剩磁、特别是内禀

矫顽力下降很快,磁性温度系数很大,改善热稳

发展概况

1983年日本住友特殊金属公司研制成功一种新型稀土永磁材

知识园地

永磁材料

定性的主要途径是合金化。

通常矫顽力高的永磁材料具有较好的温度稳定性,因此,钕铁硼永磁材料的矫顽力越高,可工作的环境温度也就越高。

要使钕铁硼磁体的最大磁能积达到最大值,必须做到:烧结体的密度接近或达到材料的理论密度;尽可能减少非磁性相的体积分数;铁磁性相晶粒的取向度尽可能高。

钕铁硼永磁体的稳定性包括3个内容:热稳定性、受外界磁场干扰的稳定性、时间稳定性。钕铁硼永磁体一般作为磁场源,在一定空隙内提供恒定的磁场。对于精密仪器仪表和磁性器件,要求在工作环境下外界条件变化时

磁体提供的磁场要稳定。与其他永磁材料相比,早期的烧结钕铁硼永磁材料的稳定性要差很多,一般只能在小于100℃温度下工作,而高矫顽力系列的工作温度也不能超过150℃,适用于200℃以上的已经很少。但近些年来的发展,使用温度也有利明显的提

高,高性能产品的最高工作温度已超过200℃。目前,制约烧结钕铁硼永磁材料推广应用的关键问题之一仍然是其热稳定性,解决好这一问题有着非常重要的意义。

过气流磨制粉后压制成形与烧结而成,其最大磁能积(BH)max高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。烧结钕铁硼非常坚硬和脆、但可以切割加工不同的形状和钻孔,见图3(a)。由于它的物质含量容易导致锈蚀,所以根据不同要求必须对表面进行不同的凃层处理 (如镀Zn,Ni,Au,Epoxy等)。

(2) 黏结钕铁硼(Bonded NdFeB)——黏结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等黏结剂均匀混合,然后用压缩、挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形,无需二次加工、可直接做成各种复杂的形状,

见图3(b)。

材料分类

钕铁硼Nd2Fe14B永磁材料按生产工艺不同分为:

(1) 烧结钕铁硼(Sin

tered NdFeB)——烧结钕铁硼永磁体经

图3 钕铁硼永磁材料

制备工艺

目前我国主要用粉末冶金法(烧结法)生产这种磁体(烧结NdFeB),其主要过程如下:原材料→预处理→配料→熔炼→破碎→细磨→混料→压型→烧结→热处理→机加工→电镀→充磁→检验→包装→入库(NdFeB产品)。合金成分及其微观组织最优化是高性能化烧结NdFeB永磁的关键。

因此,采用先进的片铸工艺并与氢爆工艺相配合,在气流磨过程中加入防氧化剂可在不降低矫顽力的前提下,获得磁能积超过400 kJ/m3的烧结NdFeB永磁。

NdFeB的制取工艺除了传统的粉末冶金工艺外,美国GM公司采用先进的快淬工艺制备了快淬钕铁硼磁体。经对比实验发现,快淬钕铁磁体的H

cj是普通烧结钕

铁磁体的1.5~2倍,温度特性也得到了相应改善。

烧结钕铁硼永磁材料

化学成分

烧结钕铁硼永磁材料是以钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)等为基本原材料,少量添加镝(Dy)、铽(Tb)、钴(Co)、铌(Nb)、镓(Ga)、铝(Al)、铜(Cu)等元素,应用粉末冶金工艺制

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永磁材料

知识园地

造的一种铁基永磁材料。

烧结NdFeB永磁是第三代稀土永磁材料,也是重要的新型稀土功能材料,发展很快。烧结钕铁硼永磁体的最大磁能积值是铁氧体磁铁的5~12倍,是铝镍钴磁铁的3~10倍;它的矫顽力相当于铁氧体磁铁的5~10倍,铝镍钴磁铁的5~15倍,其潜在的磁性能极高,能吸起相当于自身重量640

倍的重物。由于烧结NdFeB永磁的磁性能很好,因此当今人们称其为“永磁王”,应用领域快速扩展,发展潜力较大,前景十分看好。

制造工艺

烧结钕铁硼永磁材料采用的是粉末冶金工艺,熔炼后的合金制成粉末并在磁场中压制成压坯,压坯在惰性气体或真空中烧结达到致密化,为了提高磁体的矫顽力,通常需要进行时效热处理。

图4 气流磨粉碎机的工作原理

为提高制粉效率,气流磨制粉机采用多个喷嘴,以便在磨室内形成一个物料流态化的区域。

点是取向度较高。

烧结

Nd-Fe-B粉末压坯的相对密度一般为50%~70%,颗粒间的接触是机械接触,结合强度低,颗粒可能发生弹性与塑性变形。这样的压坯不具备高性能磁体的显

微组织。为了提高密度、改变颗粒之间的接触性质、提高强度、使磁体具有高性能磁体的显微组织,必须将压坯进行烧结。它是

压坯

为了获得高的磁性能,一般采用磁场成形(图5)。有平行与垂直两种方式。压力方向与取向磁场方向平行,该方法操作简便,效率高,可以制造

轴向取向圆环,设备易于制造。压力方向与取向磁场方向垂直,该方法的优

制粉

对磁粉的要求:①粉末的颗粒尺寸小,且尺寸分布窄,要求3~4μm的颗粒占80%~90%,不要有小于1μm和大于7μm的颗粒存在,以保证所有的粉末颗粒都是单晶体。②粉末颗粒呈球状或近似球状。③粉末颗粒的晶体缺陷要尽可能的少。④粉末颗粒表面吸附的杂质和气体要尽可能的少,尤其是含氧量应小于1500×10-6。

可以采用气流磨制粉(图4)。利用气流将粉末颗粒加速到超音速使之相互对撞而破碎。两个颗粒碰撞时,产生巨大的动量,在该动量的作用下,粉末颗粒破碎成更细的粉末。该动量仅有一小部分转变为表面能,大部分转变为声能、热量和晶格畸变能量。12

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图5 磁场成形示意图

知识园地

永磁材料

制造烧结Nd-Fe-B永磁材料的关键技术之一,对Nd-Fe-B永磁材料的性能有非常重要的影响。

性能烧结钕铁硼永磁材料还将有更大需求 。

宇宙中的反物质也称为暗物质,天文学上是指宇宙中用光学方法看不到的物质,其特征是既不发光,也不与光作用,只存在万有引力。反物质是一个重大科

图8 汽车的电动助力转向器

应用进展

烧结钕铁硼永磁材料在日常生活用品中有较为广泛的应用,如一般电动工具、手表、照相机、录音机、VCD等。由于该材料性能好且性价比高,利于实现电子产品的小型化和超薄化,因此现在很多的家电产品中均有应用;同时,该材料还能使器件的整体性能得到极大改善,这也是其蓬勃发展的重要原因之一。

电脑磁盘、光盘驱动器(图6)和打印机驱动头应用钕铁硼永磁体较多,计算机已成为钕铁硼永磁材料的主要应用领域之一。

随着医疗水平的不断提升,我国对中高档医疗器械的需求持续增长,几乎每家稍具规模的医院都有核磁共振成像仪(图7),该设备就使用了大量的高性能烧结

钕铁硼永磁材料(每台设备使用超强永磁材料1 t以上)。

稀土永磁电机因没有激磁线圈和铁芯,而损耗与发热大幅度减少,能够节省能源。稀土永磁高效电机可节能15 %~20 %,电机质量减轻20 %以上。目前稀土永磁电机的产量还不是很大。如果用稀土永磁电机能进一步代替传统系列电机,则对烧结钕铁硼类永磁材料的需求将会更大。

在汽车工业领域,烧结钕铁硼永磁材料已应用于汽车的点火线圈、电动助力转向器(图8)、各种控制电机和汽车音响等。随着人们生活水平的提高,汽车工业将进一步发展,因而该行业对高

学命题,反物质是否存在?如果存在,那么在哪里呢?

因此,找到一种探测反物质和暗物质的方法就显得特别重要。于是,“阿尔法磁谱仪”就诞生了。其核心部件是一块外径1.6 m、内径1.2 m、重2 t的钕铁硼环状永磁体。“阿尔法磁谱仪”实验由华裔美国科学家、诺贝尔奖获得者丁肇中教授所领导,美国、中国、德国等10多个国家和地区的许多科学家参加了研究与设计工作。“阿尔法磁谱仪”核心部件如果使用常规磁铁,则会因为太空中四处弥漫的磁场的影响而无法在太空中运行,而使用超导磁体又必须在

低温下运行,也不现实,什么材料最合适

呢?中国科学家倡议制作了完全

图6 光盘驱动器

图7 核磁共振成像仪图9 阿尔法磁谱仪的原理

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在高端的计算机和计算机外围设备等市场竞争力还很弱,而这方面竞争力最强的是烧结钕铁硼的发明和生产强国日本,其次是美国。美国烧结钕铁硼永磁材料在核磁共振成像仪器的应用方面具有很强的实力,但在机电、音像

图10 阿尔法磁谱仪

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电子和通讯电子领域的实力则较弱,这与美国原材料匮乏、人力资源成本较高和大量的生产企业向海外转移有关。

因此,我国应该抓住这一机遇,加大对烧结钕铁硼永磁材料的研发力度。

符合太空运行要求的钕铁硼永磁体,装进了“阿尔法磁谱仪”,为其捕捉反物质和暗物质信息提供强大的磁力。该磁铁的成功研制展示了中国科学家的聪明才智。科学史上会记住这一辉煌时刻:美国东部时间1998年6月2日18时10分,伴随着火箭震耳欲聋的轰鸣,“发现号”航天飞机在万众瞩目下腾空而起,直刺苍穹。“发现号”这一次携带了去

太空探寻反物质和暗物质的宇宙探测器“阿尔法磁谱仪”,它带回的信息可能使人类更加接近破解宇宙形成之谜!

研究方向与前景

目前国内烧结钕铁硼永磁材料生产中存在的主要问题是永磁材料性能与国外相比还有较大的差距,特别是热稳定性差,再有就是耐蚀性较差。提高NdFeB的表面防护水平,满足各种应用环境的要求,是提高NdFeB产品质量、性能,进而提高其档次的关键。由于NdFeB的市场前景及重要地位,国外各生产商皆把NdFeB的表面防护技术作为重要技术秘密,因此要提高产品竞争力、占领国际市场、发挥稀土大国的资源优势,必须发展具有我国自主知识产权的钕铁硼永磁材料防护技术。

中国是世界上开发和生产钕铁硼系稀土永磁材料起步较早的国家之一。依据我国的国情,发展钕铁硼系稀土永磁材料产业非常适宜,需要投入更多的人力和物力以加快对钕铁硼系稀土永磁材料的基础研究及工业化生产研究。

国内外应用比较

目前我国烧结钕铁硼永磁材料主要用于普通音响、磁化器及除蜡器、电机及传感器中,预计今后在电机和音圈马达等领域的应用将会进一步增加。

据了解,烧结钕铁硼永磁材料在西方国家的主要应用领域是音圈马达、永磁电机、核磁共振仪、高档音响设备等,我国在这些方面的应用还相对较少。尽管我国烧结钕铁硼的应用在音像电子领域处于优势地位,但这一领域也仅仅是该材料应用的低端市场。

我国烧结钕铁硼永磁材料14

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(下转第18页)

德克萨斯州金属探测俱乐部协会 (Texas Association of Metal Detecting Clubs,简称TAMDC) 是美国众多金属探测俱乐部中比较有代表性的一个。它的宗旨是通过教育和指导来团结、促进和鼓励德克萨斯州的金属探测俱乐部。TAMDC现下属有奥斯汀金属探测俱乐部、东德克萨斯州寻宝者协会、中德克萨斯州宝藏俱乐部、西南搜索、金三角探险家协会等16个会员俱乐部。它为各俱乐部和会员制定了13条道德准则,其中包括尊重他人的权利和财产、遵守法律、不破坏历史建筑、不破坏原有的土地和植被等规则,实际上也可以算是公众使用金属探测器的行为准则。

相对于英美等发达国家而言,金属探测器在我国的使用还相对较少。我国是一个历史悠久的文明古国,拥有丰富的地下文物遗产。然而,20世纪80年代以来,随着国家大规模的基础设施建设和“文物收藏热”引发的文物盗掘,我国的地下文物面临无法挽回的破坏。在这种形势下,仅仅依靠国家历史文物部门的力量来进行保护是远远不够的,如何充分动员大众力量来保存和保

(上接第14页)

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性黏结稀土永磁材料的研究和开发状况. 磁性材料及器件,2005,12:7-12.

护我国的历史文物是一个重要的问题。如果我们能正确引导公众使用金属探测器的探宝行为,鼓励公众与专家学者的交流,使公众在专家的指导下使用金属探测器,将有助于我国文物考古知识的普及和公众考古事业的发展。但是,如果不能善加引导,也会带来诸多问题,比如文物归属、遗址破坏和文物偷盗等问题。因为,并不是任何文物都可以私自收藏,也并不是任何地区都可以进行金属探测活动。相反,私自收藏珍贵易损文物,有可能会造成文物不可逆的毁坏以致重要历史信息的遗失。在重要遗址遗迹的探测、挖掘行为则可能会加剧遗迹的消失和遗址的破坏。面对以上种种问题,我国亟需改变公众与考古分离的旧观念,制定公众使用金属探测器参与考古的法律法规,规范公众参与考古的行为。同时借鉴国际已有的实践经验,使金属探测器更好地服务于我国的公众考古。

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作者简介

杜晓俊 (1988—),男,浙江德清人,广西民族大学硕士研究生,研究方向为科技史与科技考古。

汪常明 (1978—),男,湖北通城人,中国科学院自然科学史研究所博士后,研究方向为科技史与科技考古。

参考文献

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期刊《金属世界》杂志特约撰稿人。

作者简介

贾成厂,男,日本TOHOKU大学博士,日本神奈川科技园博士后,北京科技大学教授、博士生导师,010-62334271,jcc@ustb.edu.cn,主要社会兼职有中国复合材料学会理事、中国金属学会粉末冶金分会副理事长兼秘书长,《复合材料学报》、《粉末冶金技术》、《粉末冶金工业》等期刊的编委,冶金行业惟一高级科普

主编、参编学术专著12本,获国家发明专利20余项,获教育部科技进步二等奖等多项奖励,发表学术论文200余篇,其中被SCI检索70余篇,被EI检索130余篇,单篇他引次数超过100次。

孙爱芝,博士,副教授,主要从事磁性功能材料的研究,先后获教育部科技进步二等奖、中国有色金属工业科学技术二等奖等多项奖励,发表论文50余篇,E-mail: sunaizhi@126.com。

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