陳溪山、周力行 / 工研院材化所
稀土永磁合金粉末與永磁體是稀土材料應用的最大宗產業。國際市場對高性能釹鐵硼永磁材料需求巨大，尤其是中國加強對稀土資源出口控制以後，中國以外的高性能釹鐵硼永磁材料生產廠商的生產成本和產量都受到影響，從而加劇國際市場高性能釹鐵硼永磁材料供需不平衡的問題。儘管近年來日、美、歐等國家稀土永磁產業的增長率下滑，但由於中國稀土永磁產業的高速發展，使得全球稀土永磁產業依然保持了高速增長的趨勢。釹鐵硼作為節能環保的關鍵產業，估計未來10~20年還不會有比釹鐵硼永磁材料性能更優異的磁體來取代它，在未來3~5年的複合增長率也將保持在20%左右。根據預測，到2025年，全球高性能釹鐵硼磁體產量將會突破15萬噸。
稀土永磁生產技術發展趨勢
目前，稀土永磁生產中多採用單合金法，其製作流程為：原材料準備→冶煉→鑄錠→破碎與製粉→磁場取向與壓型→燒結→回火→機加工與表面處理→檢測。製備流程中前七個環節的技術參數均對燒結磁體的磁性能有影響。
1. 晶界擴散技術
為了符合高溫領域的應用，目前研究較為廣泛的為晶界擴散技術。在一定的溫度下，晶界合金熔融擴散到主相晶粒的表面層，會形成一層磁晶異向性場較高的重稀土殼層，提高材料的矯頑力，同時由於擴散深度有限，重稀土在主相中分布較少，能夠有效保證磁體的剩磁和最大磁能積。因此能夠做出綜合磁性能很高的釹鐵硼磁體，日本的Hono等人在這方面嘗試了Nd-Cu、Dy-Fe-Cu等不同合金的晶界擴散，並深入研究了其在磁體中的分布形態和存在形式。
(3) 非稀土晶界擴散
非稀土元素如Al、Cu、Mg和Zn等，能在一定程度上優化釹鐵硼磁體的磁性能，所以商用釹鐵硼產品中一般都含有這些元素。近年來非稀土的合金或者化合物如Al、Al-Cu、MgO和ZnO等都可以成為晶界擴散劑，包括傳統和原位晶界擴散。非稀土擴散劑主要透過晶界相改性，提高晶界相與2:14:1晶粒之間的潤濕性，減少介面處缺陷的數量來抑制反磁化疇形核，從而實現矯頑力的提高。以Cu元素為例，它能與晶界相中的Nd和Fe形成低熔點的Nd-Cu和Nd-Fe-Cu共晶相，促進回火時晶粒間薄層連續晶界相的形成。此外，Kim等研究發現，適量的Cu還能促進fcc-NdO2相生成與主相錯配程度較低的bcc-Nd2O3相，從而抑制其生成與主相錯配度較大的hcp- Nd2O3相，Cu的作用總結如圖四所示。
圖四、Cu的添加對燒結磁體微觀組織的影響
3. 晶界擴散與現存製程相結合
晶界擴散技術作為一種新的製程技術，在目前的產業化過程中，需要在原有的製作流程上增加一道或幾道工序，如果能與磁體現有的製粉、緻密化成型和後續燒結製程相結合，將進一步優化製作流程，降低材料加工成本。現階段晶界擴散與現存的燒結釹鐵硼磁體工藝結合如圖六所示，在氣流磨、混粉壓製和燒結及熱處理階段可以將晶界擴散工藝融入進去。
圖六、晶界擴散與現存燒結製程的結合
Dy蒸氣包覆實際上是將氣流磨與擴散劑塗覆工藝相結合(圖六(a))。原位晶界擴散則是將晶界擴散劑的添加與混粉壓製技術結合，擴散熱處理技術與燒結技術結合(圖六(b))。這兩種添加方式可在製備宏觀上重稀土分布均勻的磁體同時，保證磁體的表面品質，但重稀土利用率比傳統晶界擴散低。原位晶界擴散和傳統晶界擴散分別在製作成本和重稀土利用上占有優勢，如何同時利用這兩種優勢是實際生產中非常受到關注的問題。
為減少工序，最有效的方法是將晶界擴散熱處理與釹鐵硼磁體的燒結及時效處理相結合。在磁體冷壓生坯的表面塗敷上擴散劑後進行燒結(圖六(c))，燒結過程中晶界擴散與磁體緻密化同時進行，如此便可綜合原位擴散和傳統擴散的優勢，用簡單的工藝製備出「表面強化」的磁體。為簡化工藝提高生產效率，可以將燒結後的回火與後續擴散熱處理相結合，只進行一次熱處理工序，如圖六(d)所示。
高性能稀土永磁下游市場應用
近年來，新能源領域的高速發展帶動釹鐵硼永磁材料需求急速增加，高性能釹鐵硼主要應用於高技術壁壘領域中各種型號的馬達、壓縮機、傳感器，下游應用領域主要包括傳統汽車EPS馬達、新能源汽車驅動馬達、風力發電設施、變頻空調、節能馬達等 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》438期，更多資料請見下方附檔。