永磁材料的开发动向及其应用

1前言

磁性材料对电机技术具有决定性的作用。尤其是高效小型精密电机，由于磁性材料决定了永磁电机的性能；因此不仅仅是磁性能，对磁钢的尺寸精度、机械强度等综合性能都 有要求；从软形磁钢到高性能的稀土烧结磁钢在各种永磁电机中都有应用。最近在一些大型电机中为了提高能效也开始引入永磁磁钢；磁性材料决定了激磁线圈的磁路，为了降低电机的损耗，现在这正在研究提高磁性材料的饱和磁场的磁密度。

2永磁材料的发展

随着社会发展步入高度电气化，对磁性材料的需求量也越来越大。最早是1917年日本东北帝国大学的多光太郎博士发明的KS钢，在1940年初上市；这是一种以铁为基本材料含铝(Al)、镍(Ni)和钴(Co)等成份的合金，这是最初的铝镍钴磁钢原型。此后从36KJ／m3 (4．5 MGOe)到8KJ／m3 (1—0 MGOe)的许多高性能的铝镍钴材料相继开发出来，但到了70年代后期由于钴的资源稀少价格上升，使得铝镍钴磁钢的生产大大减少。由于铝镍钴磁钢具有随温度的变化对磁性能影响小的优点，所以到现在一些精密机器特殊场合，例如计测仪表等仍然采用铝镍钴磁钢。

铁氧体磁钢的原型最早是1929年东京工业大学的加藤与五郎、武井武两个博士发明的OP磁钢。1952年荷兰的菲律浦公司开发了铁氧体磁钢，后来1963年又开发出钐铁氧体磁钢。特性在20～35 KJ／m3 (2．7～4．4 MGOe)左右。由于这种磁钢以资源丰富、价廉的氧化铁(Fe2Q)为主要原材料，所以开始用作扬声器、微波炉的磁钢材料；现在在汽车、电气产品、家电以及工业用各种电机中广泛采用这种磁钢。生产量占全部永磁钢产量的96％左右。后来铁氧体的磁钢性能不再提高，特别是电气产品和工业电机领域迫切要求提高铁氧体磁钢的性能，1997年出现了含镧和钴的钐铁氧体磁钢，这种磁钢有接近极限的高磁密度、高矫顽力特性的磁性能。

稀土类永磁磁钢的历史是从1966年开始的，当时美国的G．Hoffer和K．Stmat二位博士提出以稀土类—钴的化合物为基本材料生产稀土磁钢。发现了稀土类元素4f电子和迁移元素3d电子为基础的新金属化合物。首先出现了1—5型钐一钛磁钢，到了以70年代高性能SmC05(钐—钴)磁钢开始实际投入应用，磁性能达到119～159KJ／m3(15～20 MGOe)。

在这期间，对早期的Sm--Co系列磁钢进行了改良，1975年日本的表好夫博士在Sm2CoI，中加入铜(Cu)和铁(Fe)，开发出了Sm(Co，Fe，Cu)系列稀土磁钢。2—17型Sm—Co磁钢达到199～239 KJ／m3 (25～30 MGOe)的高磁性能，使磁钢性能向前大大飞跃了一步。

但是这种磁钢的主要材料钴和钐是稀有元素，价格很高。钐(Sm)元素在稀土矿石中的含量只有0．5～3．1％，而钴材料的主要出产国在非洲的刚果，已成为战略物资；随着世界形势的变化，价格即高而且起落不定，所以Sm—Co系列的磁钢不可能成为大量消费的磁钢材料。

磁材研究人员和磁材用户一直梦寐以求开发出“不含钴的永磁钢”。这一梦想的实现是在1982年日本佐川：）博士发明的钕(Nd)一铁(Fe)一硼(B)稀土磁钢。这种新发现的磁钢是以Nd2一Fe14B的金属化合物为基本元素材料的永磁磁钢；钕在稀土类元素中含量丰富、铁更是不成问题，以这二种元素作主要材料的永磁磁钢达到279～398KJ／m3(35～50MGOe)的高性能，这对于高度电子化的现代社会来讲无疑是特大喜讯，这样就可以在各种领域广泛使用。

3高性能钕铁硼磁钢的磁特性

1984年本公司在世界上首先开始批量生产烧结钕铁硼磁钢，当时达到239～279KJ／m3(30～35 MGOe)的高性能。后来用镝(Dy)等来置换。一部分钕(Nd)，又添加铝、铜等，再添加钴、钼(Mo)等使矫顽力提高，改善耐热性、提高抗腐蚀性。另外以精密控制方法，在世界上首创严格控制铸造合金的结晶组织。将当时钢铁界还在研究中的非晶钢溶炼技术率先应用于钕铁硼磁钢的批量生产中。将成分配好的合金溶液连续浇在旋转的滚筒上，这样可以得到均匀细微的铸造组织结构，利用这种合金有吸收氧气的特性进行粗粉碎，控制这些粉末颗粒大小和均匀分布以适合于冲压。再利用在磁场中便于成形的合适的润滑剂提高结晶的配向度；通过烧结时结晶组织的粗大化控制和微细化等使磁钢的特性明显提高。现在已达到460KJ／m3(57．8 MGOe)的最高特性。

最近不断有钕铁硼烧结磁钢的超高性能报告。日立金属(株)在无氧环境中采用喷射粉碎后，用特殊矿物油湿式冲压成形，使烧结体中的氧元素含量降低到1，700PPm以下，矫顽力保持在1．03MA／m(13KOe)，以上这种440 KJ／m3 (55 MGOe)级的高性能磁钢已经批量生产。信越化学工业(株)为了降低DY量采用主相合金和烧结时呈液相的两种合金作为原材料，所有的原材料都采用二种合金法后，可以防止由于添加锆在低含氧烧结时结晶颗粒粗大化，从而达到抑制特性恶化，便于批量生产出高性能的材料。

另外德国的Vacuumschmeltz公司在惰性气体环境中填充微粉末，配向后，在容器中利用静水压压缩成形，据报告磁能积达451．3 KJ／m3(56．7 MGOe)。

4 钕铁硼烧结磁钢的应用

永磁磁钢是一种重要的功能材料，它能在外部空间产生稳定的磁场。所以对电子机器的高性能化、小型、轻量化，钕铁硼钢起到重要的作用。

4．1 在硬盘驱动器(HDD)中的应用

高性能的钕铁硼烧结磁钢用得最多的是计算机外部存贮装置即硬盘驱动器(HDD)。HDD装置是一种磁存贮媒体光盘，由旋转的主轴电机和读写磁头以及驱动磁头的磁头执行器构成。为了高速、高精度地控制磁头执行器，采用直线直流电机(VCM：音圈电机)，这种电机采用钕铁硼磁钢，现在这种电机的用量迅速在扩大。目前我们用的笔记本电脑之所以能做到如此小型化、高机能，都是采用了钕铁硼磁钢音圈电机的功劳。

4．2 在电子领域的应用

　　为了适应电子机器的小型化和高性能化，钕铁硼磁钢在小型精密电机、手机的振动电机、机器人工业设备用的伺服电机、计算机外围设备(CD)、CD—ROM、MD等光头中大量使用，最近DVD播放机中的应用也在扩展中，音、：）的需求量正在扩大。另外存贮媒体的主轴电机中大量地采用磁粉和树脂作成的稀土硼磁钢。

4．3 在汽车领域中的应用

从保护地球环境和节能的观点出发，现在混合型(HEV)汽车开始投放市场；丰田公司每年有19万辆以上、本田公司每年也有4万辆以上。当前各大汽车厂家都全力以赴开发替代汽油引擎的燃料电池车等新型汽车。这些汽车用电机驱动力来替代引擎。所用的驱动电机从以往的交流感应电机向永磁无刷直流电机发展。由于高性能的钕铁硼磁钢的出现，减轻了电机的重量，提高了控制性能，降低了损耗，使得永磁无刷直流电机出尽了风头。现在丰田公司的一辆HEV汽车中驱动电机和发电机约要用1．5公斤的钕铁硼磁钢，今后在这一领域的需求将会大幅增长。

HEV汽车中另一个有希望大量用钕铁硼的地方是电动助力转向系统(EPS)用电机。主要是转向助力电机和轴力检测传感器必须要用磁钢。采用电动EPS可以实现小型化，降低燃油费用。

4．4 大型电机、发电机中的应用

近年来电机对钕铁硼磁钢需求量每年的增长率约20％，约占日本钕铁硼磁钢生产量的30％。这是由于市场对各种电机需求高效、节能、小型化，以前是将永磁体贴在转子表面的SPM(表面永磁体)，电机，一现在改为IPM(插入式)永磁体电机，这种新设计概念的电机一年一年扩展。

另外OA(办公自动化)、FA(工厂自动化)以及机器人、工业用电机数量增长，也要求节能、小型、低噪音的家用空调用IPM电机；为了省掉电梯室，采用节能、小型的电梯用型电机也离不开钕铁硼磁钢。

在21世纪的HEV汽车、燃料电池汽车电机以及高效大型电机的应用方面、高性能的钕铁硼无刷直流电机也将成为主流，这方面的需求量有望不断增长。

近年来一种新的绿色能源，风力发电机引人注目。现在20KW以下的小型发电机几乎全部采用钕铁硼磁钢。最近500—2000KW的大型风力发电机也开始采用钕铁硼磁钢，目氖鞘拐庵治蕹萋种苯忧??绞降耐?接来欧⒌缁?亓考跚幔?胍艚档汀?br />
其他大型电机要求降低重量、提高效率、节能的还有轨道电车电机，这种直接驱动方式的电动机也在采用钕铁硼磁钢。这种电车行驱在标准轨道和狭轨二个区间，在行驶中由于要自动改变轮距，所以车轴不旋转，左右轮单独用永磁电机驱动。现在这种新电车的高速耐久行驶试验正在进行之中。
磁性材料的开发动向及其应用(2)
5 提高钕铁硼磁钢的耐热性和耐腐蚀性

有所有永久磁钢中钕铁硼具有最好的磁特性，但主要材料Nd2Fe14B化合物的居里温度为310℃，在上面的用途中，提高耐热性能是首要的课题。提高耐热性就是实现在室温下的矫顽力足够大，在磁钢的使用温度范围内不可逆退磁率十分小。用Dy或Pr置换一部分Nd，另外调整微量添加元素Al、Cu等的含量到最佳化，这样矫顽力就会足够大。再用Co置换一部分Fe就会提高居里温度，改善磁密度对温度变化依赖特性，现在的钕钕硼磁钢的耐热性显著提高。

另一个课题就是防锈，因为这种磁钢的主要成份是铁，极易生红锈；这种磁钢的结晶粒富含钕成分，它同空气中的水分反应生成Nd水氧化物，使磁钢表面粉末化崩坏。这个问题可以用添加钴使粒子界面内生成化学性能稳定的N(13Co化合物分散、析出，抑制富含Nd的结晶界面的选择性腐蚀，从而克服生锈的问题。

但是为了确保永久磁钢有足够的可靠性，钕铁硼烧结磁钢的表面必须要覆盖超微米的极薄膜，这层膜要具有高防腐蚀性能，而且附着性能要好；本公司在表面处理方面有卓越的批量生产技术经验；有附着性能极好的5—20µm的铝膜蒸涂(蒸发铝涂敷)；还有用于特殊电气场合的µmNi膜(镀镍)，这种表面处理耐腐蚀性和表面洁净度极好，镍膜厚度为10～20µm。

另外还有TiN(渗氮)表面处理，这种处理后的钕铁硼磁钢整体的气体放出量极小，可以在真空环境中应用。2µm以下的超薄膜防锈处理(V膜)可以用于一般低腐蚀环境。另外采用改善后的树脂涂敷技术(电泳涂敷)具有良好的耐盐水性。还有环氧喷涂等等。根据客户的要求可以选用各种合适的表面处理方法。

6稀土类硼磁钢

6．1 纳米混合磁钢

在情报机器中带动记录媒体旋转的主轴电机大量采用稀土类硼磁钢。此外各种磁传感器的磁钢、磁反射式复印机里的磁钢也都采用稀土硼磁钢，这种稀土类硼磁钢的磁粉成分主要使用1983年通用电机公司的J．J．Croat等开发的Nd—Fe—B系列的超快速冷却磁钢材料。这是将成分接近NdzFel4B的液态合金经过快速冷却，产生的颗粒直径在几十纳米的微结晶；人们发现这种微结晶具有极高的矫顽力，由于制造方法特殊这种材料结晶方向是随机的各向同性材料。也就是讲这种磁钢的结构使Nd—Fe—B的结晶不存在易磁化的方向，不具备各向异性钕铁硼烧结磁钢那样高的磁特性。相反可以在任何方向充磁，由于不需在成型工序时进行磁场方向的配向，所以充磁图形的自由度高，提高了生产效率。

作为一种新型稀土硼磁性材料，纳米混合磁性材料逐渐进入实用化阶段。纳米混合磁材是一种高磁化特性的强磁材料，具有高耐腐蚀性的优点；但它又不像Nd—Fe—B那样含有硬磁相混合稀土类元素。日本株式会社NEOMAX用Fe3B等硼化铁化合物和Nd2Fel。B为主要成分开发出了纳米混合磁粉的SPRAX，而且已经开始向客户供应磁粉或硼磁钢。这种材料的原型是1988年菲律浦公司发表的，稀土量约4％原子，同绕结或者急冷的钕一铁一硼系列磁钢的约13％原子相比较，降低了约l／3。这种低成本、高耐腐蚀性的磁材受到大家的关注，但由于矫顽力下降到240VA／m，所以还未到实用化阶段。本公司致力于高矫顽力的研究，采用添加各种元素、改进制造方法，开发出了同时添加Cr和C0的高矫顽力磁钢，这种磁钢达到高性能烧结铁氧体磁钢同等水平，SPRAX—C矫顽力达360—380KA/m。后来采取添加Ti和C开发出1000KA/m的高矫顽力磁粉。2003年发表了SPRAX一Ⅱ系列产品。由于铁化物的居里温度比和Nd2Fel4B的居里温度高200℃以上，所以剩磁的温度系数比以往的各向同性Nd—Fe—B磁钢有所改善。SPRAX是高磁化各向同性硼磁钢，特别是形状自由度好，射出成形的硼磁钢磁粉的性能优越。

6．2各向异性硼磁钢

对于硼磁钢要求高特性化。作为各向异性硼磁钢采用磁场配向技术能成形的磁粉，从1980年开始就知道的有SmCo5磁粉和Sm(C0一Fe—Cu—Zr)，z系列(z 7—7．5)磁粉。最近又开发了Nd2Fel。B系列所有的HD．DR磁粉和SmzFel7 N3化合物超细粉；这些磁粉都得到广泛应用。所以HDDR磁粉就是用氧气和Nd—Fe—B合金的反应处理(原文：Hyrogenation—decomposition—Desorp—tion—Recombination)从原文名称字头简称的材料。由于它的粉末颗粒直径在几十微米的粗粉也能获得高矫顽力，所以普遍被用作压缩成形的硼磁钢，可以得到120—200KJ／m3的高磁能积。用这种材料生产的无刷直流电机的体积比用烧结铁氧体大大缩小。另外有提案将这种磁钢做成软性、薄片状，希望今后应用在高效小型电机中。其他如Sm2Fe17N3磁粉以几微米的细粉，采用射出成形的硼磁钢，特性覆盖100—120KJ／m3的特性范围。这些材料分别以自身的特长应用到越来越多的领域。

6．3方向性磁性材料

同永磁材料相并列，构成磁电路的软磁材料也是非常重要的。如果只有磁性材料高性化，而同它相配合的软磁材料没有足够大的饱磁密度，电机的转子和定子的绕线部分的磁性材料就容易磁饱和，电机也就不能达到应有的性能。高饱和磁场的软磁材料常用在电力变压器里作方向矽钢片，由于对电机用的矽钢片要求旋转对称性，至少在长度方向要求矽钢片2个方向等效，住友金属工业(株)的富田等技术人员在钢材中添加3％的Si-，1%Mn对这种含SiO2的钢进行热轧除炭处理，生产出的硅钢板配向达到{1001}<001>。饱和磁密度1.9T（外部磁场800A/m），这样的2方向硅钢板已开发成功。

6.4 永磁材料的粘接

磁钢和磁性材料之间的粘接技术对于高速旋转的转子来讲是非常重要的课题。特别是钕铁硼系列的烧结磁钢热膨胀系数具有很强的各向异性，在温度变化大的使用场合，磁性材料相互间往往会产生很大的热应力。最近日本株式会社NEOMAX的上山等技术人员等研究了铁和烧结Nd-Fe-B磁钢的粘接体的朱泽斯等效应力分布和经过热循环试验后再做破坏试验，得到的粘接剂凝聚破坏的状态，二者结果十分相似。找到能够吸收热应力的粘接剂，在经过热循环试验后仍能维持良好的粘接强度。这种磁钢材料的粘接技术对组装厂家来讲，是很关键的；作为磁钢厂家他们能提供这方面的技术支持。

7 结束语

以上介绍了同电机技术有密切关系的永磁钢的发展动向和应用。现在各向异性烧结磁钢性能越来越高，不断开发出了高矫顽力的材料，钕系列稀土类磁钢开始应用于高温、高速旋转和高输出力矩的电机领域。另外在形态自由度良好的硼磁钢方面开发出了纳米复合磁钢，不仅在情报机器中得到应用，还有望在其他领域扩展应用。对于磁性材料、永磁材料和磁性材料间的粘接强度的研究也在进行之中，材料的可选择范围越来越广，这些新型磁性材料对电机事业的发展起到了促进作用。

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