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稀土永磁材料
摘要：本文主要从性能、原理、分类、应用和发展前景等几个方面客观介绍了稀土永磁材料---一种属于新能源材料的金属类结构材料。稀土永磁材料以其高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优异的综合磁性能在通信交通医疗航空航天等领域得到了广泛应用，并且以新能源材料的方式开始了它在风力发电、电动汽车、工业节能电机等新能源领域的应用。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。
关键词：永磁材料 稀土元素 新能源 微电子
1．引言
稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。 现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。
2.稀土永磁材料
2.1稀土永磁材料的定义 所谓稀土永磁材料是指将稀土金属（如钕、钐等）和过渡族金属（如铁、钴等）形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。
稀土元素，是指由化学元素周期表中的镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素所组成的一类具有特殊性质的元素。稀土元素的原子具有比铁、钴、镍具有更多的未成对自旋电子，电子自旋产生的磁矩与电子轨道运动产生的磁矩加和起来，使稀土原子具有很高的原子磁矩。将这些稀土元素采用一定工艺制成磁性材料后，稀土原子在晶体中还可以构成无数个小区域，有外加磁场作用的条件下，在这些小区域内，原子按磁矩方向排列起来，形成磁畴。这便使稀土永磁材料具有很强的磁性，对人类有更大的利用价值和更广的使用范围。
2．2稀土永磁材料的原理 物质的磁性类型主要有顺磁性、反磁性和铁磁性等。物质分子中含有未成对电子时表现为顺磁性，顺磁性物质在外磁场中能产生一个附加的磁场，表现出
热流道分流板较强的磁性，如铁（赤血盐）［K39547900Fe（CN）6碎片文件］、硫酸亚铁（FeSO4·H2O）等。而一些不含有未成对电子的物质，在外磁场作用下，产生一个与外磁场反向的小磁矩，故称为反磁性，如食盐（NaCl）、氧化钙（CaO）、亚铁（黄血盐）［K4Fe（CN）6］等。还有一类物质，它们通常是金属或合金，属于铁磁性物质。铁磁性物质在磁场作用下，原子的磁矩趋于平行排列，产生一个大的磁矩，在物质内部形成一个很强的磁场，这类物质称为铁磁性物质。最熟悉的例子有铁、钴、镍以及它们的合金等。
永磁材料，就是指经过磁化以后，具有长期保持磁性的物质。1932年发现的钴铁氧体、钡铁氧体、锶铁氧体是最早使用的永磁材料。它们是以氧化铁为主要成分的复合氧化物。
（MFe2O4，M＝CO2+柴油机起动器、Ba2+、Sr2+、Mg2+），这些铁氧体在无外加磁场时，不显示磁性，但当外加磁场时，铁氧体被磁化，产生很强的磁性，在移去外磁场后，磁性仍可保留，故称永久磁铁，如Co0.75Fe2.25O4等。稀土原子具有比铁、钴、镍更多的未成对自旋电子，电子自旋产生的磁矩与电子轨道运动产生的磁矩加和起来，使稀土原子具有很高的原子磁矩，这些原子磁铁在晶体中还可以构成无数个小区域，在外磁场作用下，在这些小区域内原子按磁矩方向排列起来，形成磁畴。这便大大加强了稀土合金材料的磁性。
稀土永磁材料是将钐、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。
2.3 稀土永磁材料分类
镀锌光亮剂2.3.1 稀土钴永磁材料
包括稀土钴（1-5型）永磁材料SmCo5和稀土钴（2-17型）永磁材料Sm2Co17。钐钴磁体虽然拥有磁能积高、居里温度高（727℃）等优点，但钐属于比较短缺的稀土元素，无法在原料供应上有可靠的保证。
2.3.2 稀土钕永磁材料
NdFeB永磁材料，如钕铁硼（Nd2Fe14B）磁性材料，是一种磁能积比钐钴还要高的磁性物质。如以兆高奥为最大磁能积单位，则铁氧体为3.7，钐钴为21.0，而烧结的Nd2Fe14B的额定值为37.0（实验室获得的数据是50.6）；并且Nd2Fe14B此题的拉伸和弯曲强度是钐钴磁体的2倍；同时，原料价格高于铁氧体，但低于钐钴，故有“铁磁王”的称号。
2.3.3稀土铁氮（RE-Fe-N系）或稀土铁碳（RE-Fe-C系）永磁材料
这种用磁性材料的最大磁能积（BH）max高于钕铁硼磁粉，大约2倍左右，因此技术优势较强。并且，该材料的成本相对于钕铁硼较低，原因是磁粉中稀土含量相对较少，同时无需掺杂钴等价格昂贵的金属。另外，该材料中的稀土成分可以使钕，也可以是钐，而市场中钐的价格要远低于钕。
2.4 稀土永磁材料生产工艺
多年来，我国稀土永磁材料的生产技术及装备水平获得了很快的提高和完善，对于永磁的质量和磁性能的提高较快，促进了应用发展，推进了永磁业高速进展。
( 1 ) 烧结NaFeB
原用熔炼法(烧结法）专门生产烧结NaFeB,磁性能不高如（HB )m<35MGOe，仅用于一般的器件（如音响磁疗，磁选机和磁化防腊器等），后来改进用的低氧工艺生产，用纤维状熔铸锭条和氧爆法代替细磨粉，仅（HB）m 提高到50 MGOe，拓宽了产品的应用领域（如VCM 等）。近年来，我国已能用先进的速凝薄片工艺技术及一步成型工艺，使生产水平大为提高，永磁品性能提高为高端品级，也使原材料消耗猛降，生产成本下降40%-50%。
因为原来的落后工艺必经机械加工，使成品率仅达70%左右，如用一步法（直接压制成型工艺，可生产成瓦形、环形和扇形磁体）工艺后，工艺简便，磁坯密度高为5.59g/cm3，产品成品率很高（90%以上），使产品成本下降一半。如上烧法NdFeB 生产技术及设备的快速进步，不但产量猛增，磁性能提高，有力地推进磁业的向前发展。
（2）粘结NdFeB
用熔体快淬法制得磁粉可生产各向同性粘结NdFeB 永磁体（MQI），（BH）m=140KJ/m3（17.5MGOe）。以制得各向同性热压永磁体（MQZ），（BH）m=119KJ/m3（15 MGOe）。它们的工艺及设备均达到产业化的生产水平。近年来，采用热挤压技术可生产各向异性辐向磁环NdFeB 磁体，获得高的磁能积为（BH）m=400KJ/m3（50 MGOe），利于开拓应用发展。
用HDDR 法制粉后可生产各向同性及各向异性的粘结NdFeB 永磁体，并已达到工业化产业化的生产水平。如将磁粉以压制型及注射成型所得各向异性粘结NdFeB 永磁体（MFP13）的磁能积（BH）m=310KJ/m3（38 MGOe）和（MFP14）的（BH）m=253KJ/m3（33 MGOe），如上的工艺技术的提高，使粘结NdFeB 永磁体推向新的发
展阶段。我国在这方面的技术及役备的改进，有力地促进了我国粘结NdFeB 磁体的新进展。
（3）SmCo5 永磁体
2000 年以前，我国多用还原扩散法（烧结法）生产SmCo5 永磁体，（ BH ） m=250-279KJ/m3（31-35MGQe），而Sm2Co17 永磁体的（BH）m=223-263KJ/m3 （28-33MGOe）， 又可生产Sm（Co,Cu,Fe,ZR）Z的（BH）m=264KJ/m3（33MGOe），如上永磁体我国都达到工业化生产水平，推动了工业部门的应用需求。此外，我国已研制成功的粘结法可制备SmCo5永磁体，这种新技术为：快冷厚带工艺技术生产粘结SmCo5 磁体。目前已可达到工业化水平。制得粘结SmCo5 的产品的（ BH ） m=239-269KJ/m3（30-35MGoe），这可开拓SmCo5 产品新应用领域，利于此磁体向前发展。
（4）SmFeN 永磁体
在SmFeN 中有Sm2Fe7Nx 和SmFe7Nx 两种主要的金属间化合物。因为它们在较高温度下易分解，所以不能采用烧结法制备这类磁体。仅可采取粘结法生产SmFeN 磁体。目
前，用熔体快淬法及HDDR法生产各向同性Sm2Fe7Nx 磁粉，以压制成型技术可制得粘结Sm2Fe7Nx 磁粉，（ BH ）m=123KJ/m3（15MGOe）。用铸锭破碎法和还原扩散法可制成各
向异性Sm2FenNx 磁粉，以压制成型工艺制成各向异性粘结Sm2FenNx 永磁体，（BH）m=100-160KJ/m3（12-20MGOe）也可用挤压成型及注射成型技术生产这种磁体。前者（ BH ） m=50-68KJ/m3（6.2-8.5MGOe），而后者（BH）m=84-103KJ/m3（10.4-13MGOe）。目前我国已建成了一条生产粘结SmFeN 生产线，并实现了工业化生产，已走在外国人的前面，生产工艺技术及装备逐步处于完善的阶段，这为我国开拓新产品应用提供了自主产权的范例！也促进了我国永磁业的新发展。
（5）纳米晶复合永磁体
近年来，我国已能研制纳米晶复合永磁体，具有较高矫顽力，并可进行工业化生产。这种磁体是以硬磁性Nd2Fe14B 相及软磁性γ-Fe 相为原料，用快淬法制成的其晶粒为20nm，具有高剩磁和高矫顽力，（BH）m=203KJ/m3（25MGOe），Br=0.95-1.2T(9.5-12KOe)，比快淬单相SmFeN 高出10-20%，但Nd2Fe14B/γ-Fe 的矫顽力极高达Hcj=8000
KA/m(100KOe)。因此磁体的磁性能较好，成本较低，用户爱用，市场销路广阔，主要适用于制小马达。这种新磁体的工艺技术及设备丰富了我国永磁业的领域，促进整个永磁材料的发展。
（6）永磁体表面处理技术
因烧结NdFeB 表面不均匀及孔隙多，易氧化和化学性不稳定。在潮湿空气及水溶液中使用时易被氧化腐蚀。多年来用电镀，电泳，离子（分子）涂层于表面处理技术，其效果不理想。近年研究了称为“SEN”的复合表面处理新技术，在实践中的效果很好。该法是用金属和非金属的多种元素制成溶液后，升温和调控工艺参数。将NdFeB 元件浸入溶液中，使元件表面生成一层合金涂层（保护膜），以防止元件表面受腐蚀，其技术和经济效果较好，已在推广中。近年我国又研成了永磁体表面处理的超声波化学镀膜防护新技术。根据NdFeB 永磁表面呈多相多孔的特性，在真空条件下对永磁进行超声除油和表面封孔预处理，以改善磁基体表面性质。然后用超声波化学镀膜法，使磁基体与镀层之间形成强力的结合作用，免除了磁表面的孔隙而起着防护作用。该技术具有独创性的世界先进水平，提高了产品的国际竞争力。目前技术在产业化的应用之中，已获得了较好的技术及经济效果。
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