釹鐵硼永磁材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀、發(fā)展及應(yīng)用

1、材料科學(xué)與進(jìn)展結(jié)課論文-鉉鐵硼永磁材料的 生產(chǎn)現(xiàn)狀、發(fā)展及應(yīng)用學(xué) 院：材料與冶金學(xué)院專 業(yè)：材料成型及控制工程班 級：姓 名：學(xué) 號：成 績：指導(dǎo)教師:內(nèi)蒙古科技大學(xué)2016 年 12 月目錄摘要 4Abstract 40前言 51 釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)現(xiàn)狀 52 釹鐵硼永磁材料概況 52.1 釹鐵硼永磁材料發(fā)展概況 52.2 釹鐵硼永磁材料的研究方向與前景 62.3 欽鐵硼磁性材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展 63 釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用 73.1 釹鐵硼永磁材料主要應(yīng)用領(lǐng)域 73.1.1 汽車工業(yè) 73.1.2 電機(jī)行業(yè) 83.1.3 節(jié)能家電 83.1.4 信息技術(shù)產(chǎn)業(yè) 83.1.5 風(fēng)力發(fā)電 84 結(jié)語

2、95 致謝 9參考文獻(xiàn) 9釹鐵硼永磁材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀、發(fā)展及應(yīng)用喬磊摘要為了探討釹鐵硼永磁材料的發(fā)展前景，發(fā)現(xiàn)行業(yè)存在的問題，對釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，釹鐵硼永磁材料將進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞 ：釹鐵硼；永磁材料；生產(chǎn)；應(yīng)用；AbstractTo discuss the development prospects of NdFeB permanent magnet materials, and find the problems in development. Theproduction and application statusof NdFeB

3、permanent magnet materials was summarized and analyzed focusing on applicationfield. The results show that NdFeB permanent magnet materials will step into a new stage of development, and the future is bright.Keyword: NdFeB; permanent magnetic materials; production; applications;0 前言新材料產(chǎn)業(yè)在“十二五”發(fā)展思路中明

4、確提出，中國未來五年將“大力發(fā)展稀土永磁、催化、 儲氫等高性能稀土功能材料和稀土資源高效率綜合利用技術(shù)”。預(yù)計(jì)未來5 年內(nèi)，科技部將劃撥總額3.5億元的扶持資金，用于重點(diǎn)支持稀土材料在以上4個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)。在 4大應(yīng)用領(lǐng)域中，稀土永磁發(fā)展成為規(guī)模最大、潛力最大的部分。鉉鐵硼(NdFeB)屬第三代稀土永磁材料，含有約30%的稀土元素 ( 釹是主要組成成分，鋱、 鏑等次之 ) ， 其具有質(zhì)量輕、體積小和磁性強(qiáng)等特點(diǎn)，是迄今為止性價(jià)比最高的磁體，在磁學(xué)界被譽(yù)為磁王。1 釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)現(xiàn)狀在釹鐵硼剛開始生產(chǎn)應(yīng)用之初，世界釹鐵硼生產(chǎn)能力主要集中在日、美、 中、歐等少數(shù)國家手中。其中，日、美在永磁的

5、開發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用方面的技術(shù)一直處于世界前茅，同時(shí)也是最大的永磁消費(fèi)市場，并形成了幾家能力大、質(zhì)量好、競爭力強(qiáng)的超大規(guī)模企業(yè)。目前，日本住友特殊金屬公司、日本信越化學(xué)實(shí)業(yè)公司、 TDK 等在釹鐵硼的銷量上分居世界第一、二、三位，而中國的北京中科三環(huán)高技術(shù)股份有限公司與日本的TDK 并列排在第三位。中國在20世紀(jì)80年代初開始從事稀土永磁材料的研究。目前，中國釹鐵硼產(chǎn)業(yè)已經(jīng)占全球近80%市場份額，是全球燒結(jié)釹鐵硼磁體的產(chǎn)業(yè)中心。2010 年，中國鐵硼磁體產(chǎn)量已經(jīng)超過世界總產(chǎn)量的80%。 隨著中國對稀土出口限制管理日趨嚴(yán)格，未來中國高性能釹鐵硼永磁材料產(chǎn)量將繼續(xù)擴(kuò)大，占全球總產(chǎn)量比例有望繼續(xù)提升

6、。目前，中國釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)120 多家，國內(nèi)有5 家企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模已近千噸。而上百噸生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)有20 余家，但所產(chǎn)磁體大部分都是中低檔產(chǎn)品，絕大多數(shù)應(yīng)用在性能要求不高的領(lǐng)域。所以， 中國燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量雖處于世界前列，但所得利潤卻很有限。從世界范圍來看，高性能釹鐵硼永磁體發(fā)展前景看好，市場競爭力也較強(qiáng)。國內(nèi)5家鉞鐵硼大型企業(yè)有NEOMAX燒結(jié)鉉鐵硼專利授權(quán)，其原料磁粉長期保持高壟斷價(jià)位，毛利率在30%以上，凈利率一般在15%以下。其他沒有專利的企業(yè)需要向上述5 家企業(yè)繳納10%的代理費(fèi)，以這幾家企業(yè)的名義出口，而小企業(yè)的利潤率也僅10%左右，高昂的代理費(fèi)使其無法將產(chǎn)品銷往國際市場

7、 1 。2 釹鐵硼永磁材料概況2.1 釹鐵硼永磁材料發(fā)展概況1983 年日本住友特殊金屬公司研制成功一種新型稀土永磁材料：釹鐵硼(NdFeB),這一重大研究成果在永磁材料發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。鉉鐵硼磁體自問世以來，因其具有高的剩磁、矯頑力和最大磁能積，且原料資源豐富、成本低廉，已在很多方面獲得廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì) 80 年代中期我國已能生產(chǎn)釹鐵型永磁合金，由于它的磁性能比SmCo5和Sm2Coi7更為優(yōu)良，且所用的材料如鉆、鐵和硼更易供給及價(jià)格低廉， 故發(fā)展迅速。燒結(jié)鉆鐵硼磁體的理論磁能積為 512KJ m-3(64MGOe),是稀土永磁 材料中最有代表性的一類材料，也是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化磁能

8、積最高的一類磁體。在近20多年的研究中,其磁性能指標(biāo)不斷刷新，磁能積從238KJ m-3(30MGOe) 發(fā)展到目前的磁能積大于440KJm-3(55MGOe),是磁性材料中發(fā)展最快的。日本在釹鐵硼磁體上的研究發(fā)展最為迅速, 目前住友特殊金屬公司采用先進(jìn)的片鑄(SC)工藝磁體制備技術(shù)制備鉆鐵硼磁體的磁能積已達(dá)460KJ m-3(57.8MGOe)。我國 NdFeB 永磁材料從20 世紀(jì) 80 年代中后期開始發(fā)展，屬國家鼓勵(lì)發(fā)展的新材料，主要有燒結(jié)、粘結(jié)NdFeB 及其他稀土永磁材料，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)， 尤其是電子和汽車工業(yè)的一種不可替代的基礎(chǔ)材料，其種類繁多，廣泛用于電子、汽車、計(jì)算機(jī)、

9、電力、機(jī)械、能源、環(huán)保、國防、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域，帶動著各行業(yè)的發(fā)展2。2.2 釹鐵硼永磁材料的研究方向與前景目前國內(nèi)生產(chǎn)中存在的主要問題是性能與國外相比還有較大的差距，特別是熱穩(wěn)定性差，再有就是耐蝕性較差。提高NdFeB 的表面防護(hù)水平，滿足各種應(yīng)用環(huán)境的要求，是提高NdFeB 產(chǎn)品質(zhì)量、性能，進(jìn)而提高其檔次的關(guān)鍵之一。由于 NdFeB 的市場前景及重要地位，國外各生產(chǎn)商皆把NdFeB 的表面防護(hù)技術(shù)作為重要技術(shù)秘密，因此要提高產(chǎn)品競爭力、占領(lǐng)國際市場、發(fā)揮稀土大國的資源優(yōu)勢，必須發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的釹鐵硼永磁材料防護(hù)技術(shù)。依據(jù)我國的國情，發(fā)展釹鐵硼系稀土永磁材料產(chǎn)業(yè)非常適宜。中國還是

10、世界上開發(fā)和生產(chǎn)釹鐵硼系稀土永磁材料起步較早的國家之一，而且現(xiàn)在產(chǎn)量處于世界前列， 但是產(chǎn)品的質(zhì)量和性能與美國、日本等國家相比還有一定的差距，因此需要投入更多的人力和物力以加快對釹鐵硼系稀土永磁材料的基礎(chǔ)研究及工業(yè)化生產(chǎn)研究。2.3 欽鐵硼磁性材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展隨著全球稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，稀土供需狀況總體趨于平衡，鋱、鏑等中重稀土將出現(xiàn)短缺。為降低成本并有效保護(hù)我國稀土資源，減少高端釹鐵硼中鋱、鏑等中重稀土元素的用量非常重要。全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化以及資源緊缺等問題日趨嚴(yán)重，風(fēng)能及新能源汽車等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，要求開發(fā)出可滿足風(fēng)電及新能源汽車產(chǎn)業(yè)需求的耐高溫、高性能欽鐵硼磁體。因此， 作者認(rèn)為近期我

11、國釹鐵硼磁性材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展將主要集中在以下幾方面:(1)控制燒結(jié)釹鐵硼生產(chǎn)工藝過程，改善產(chǎn)品質(zhì)量。近年來，雖然我國在高性能燒結(jié)釹鐵硼的研究和開發(fā)方面都取得了一些進(jìn)展，但在制備工藝、材料性能、結(jié)構(gòu)等方面還存在許多問題需要解決，特別是我國高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵共性技術(shù)還未得到很好的解決，影響了產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用，這些問題需要迫切解決。(2)降低燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的重稀土含量。如何在保證磁體高矯頑力的前提下， 不僅大幅降低燒結(jié)釹鐵硼磁體中重稀土或摘的添加量，并解決由于過多重稀土添加造成磁體磁能積顯著下降的難題，以及如何得到組織致密、晶粒細(xì)小均勻、晶粒形狀盡可能呈等軸多邊形、晶界上盡

12、可能充滿均勻而薄的異質(zhì)相的顯微組織結(jié)構(gòu)，將成為燒結(jié)欽鐵硼永磁材料的發(fā)展方向。(3)開發(fā)耐高溫的高矯頑力燒結(jié)釹鐵硼永磁材料。雖然稀土永磁電機(jī)具有十分顯著的節(jié)能效果，但目前我國生產(chǎn)的絕大部分燒結(jié)釹鐵硼永磁體產(chǎn)品的工作溫度還很低， 溫度穩(wěn)定性還較差，因而限制了我國燒結(jié)釹鐵硼永磁材料在汽車點(diǎn)火線圈、 大功率電機(jī)以及壓縮機(jī)等高附加值的電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行時(shí)除環(huán)境溫度升高外，還會產(chǎn)生渦流引起發(fā)熱。所以， 對磁體最重要的要求便是不能發(fā)生發(fā)熱退磁，以確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣就要求電機(jī)用稀土永磁體不僅應(yīng)具有高 磁能積，還必須具有超高的內(nèi)享矯頑力。(4)開發(fā)各向異性粘結(jié)被鐵硼磁體產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。加強(qiáng)高性能各向異

13、性粘結(jié)被鐵 硼磁體產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究，加大對浮動雙向磁場溫壓成形和多極輻向充磁產(chǎn)業(yè) 化技術(shù)和裝備以及高效自動分步成形技術(shù)和裝備技術(shù)的開發(fā)，將有助于提升我國各向異J勝粘結(jié)被鐵硼磁體產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平303位鐵硼永磁材料的應(yīng)用1.1 被鐵硼永磁材料主要應(yīng)用領(lǐng)域被鐵硼作為第三代稀土永磁材料，廣泛應(yīng)用于電機(jī)中。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具 有高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小、控制調(diào)速性好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于 風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、工業(yè)電機(jī)、家用電機(jī)等領(lǐng)域，其很高的性價(jià)比使得其應(yīng)用 領(lǐng)域還在不斷拓展，因此近幾年在科研、生產(chǎn)、應(yīng)用方面都得到了持續(xù)高速發(fā)展。 據(jù)中國磁性材料與器件行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)分析，2009年中國高性能被鐵硼

14、永磁材料應(yīng)用領(lǐng)域分布情況如表1。表1 :2009年我國高性能鉉鐵硼永磁材料應(yīng)用領(lǐng)域分布情況Tab.l :The application field of NdFeB permanent magnet materials in 2009所占比例(%)節(jié)能風(fēng)能發(fā)電設(shè)備28.3個(gè)人電子消費(fèi)類產(chǎn)品24.5VCM電機(jī)制造20.6節(jié)能電梯曳引機(jī)制造16.0EPS制造6.1節(jié)能環(huán)?？照{(diào)制造2.3混合動力汽車制造0.5其他1.7近年來由于被鐵硼永磁材料綜合性能的進(jìn)一步提升，位鐵硼磁體正在逐步替代其他磁性材料而成為主流磁性材料，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。在“節(jié)能、環(huán)?！钡?大背景及國家政策的鼓勵(lì)下，風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車

15、及節(jié)能家電等行業(yè)未來將迅 猛發(fā)展。隨著全球高性能永磁電機(jī)的逐步普及， 高性能欽鐵硼永磁材料需求量不 斷提高5。1.1.1 汽車工業(yè)現(xiàn)階段乃至將來汽車工業(yè)仍是稀土永磁電機(jī)的最廣泛應(yīng)用領(lǐng)域之一。鉉鐵硼永磁材料因其良好性能非常適宜用于制造電機(jī)，即汽車電機(jī)的“被鐵硼化” 。從 汽車制造理論來講，汽車往往通過小馬達(dá)來降低整體質(zhì)量， 降低尾氣排放，以提 高汽車自身的安全性能，增加一定的舒適度，進(jìn)而使汽車的性能進(jìn)一步提升。 數(shù) 鐵硼組成的永磁體不但體積小且具有高磁能， 相比傳統(tǒng)磁體所產(chǎn)生的動力大得多， 簡言之，就是稀土永磁體的電效率非常高。因此，汽車制造中采用稀土永磁體， 因其質(zhì)量輕、尺寸小等特點(diǎn)，可以更好

16、的節(jié)約能源，同時(shí)還可以提升設(shè)計(jì)的靈活 性。將來汽車制造中磁體性能將隨著汽車的小型化、輕量化、高性能化趨勢也會要求提高、這將會給稀土磁體帶來發(fā)展契機(jī)61.1.2 電機(jī)行業(yè)釹鐵硼永磁體的優(yōu)異性能革新了整個(gè)電機(jī)領(lǐng)域。稀土永磁電機(jī)將是最終趨勢。在工業(yè)節(jié)能電機(jī)方面，我國重點(diǎn)耗能行業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵、 壓縮機(jī)等通用設(shè)備耗電約占40%以上，年用電量超過5000億kWh。據(jù)推斷，使用鉆鐵硼永磁無鐵芯電機(jī)可提高其拖動通用設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行效率20%40%， 且節(jié)電潛力1000億 2 000億 kW/h 。而因釹鐵硼永磁電機(jī)構(gòu)造中無激磁線圈和鐵心，其磁體實(shí)體體積相比傳統(tǒng)磁體的磁場極要小，且由于其優(yōu)異性能，要使輸出功率不變

17、，磁體體積和質(zhì)量可減少約30% , 或體積、質(zhì)量不變時(shí)，得到的輸出功率將增大約50%。目前，中國風(fēng)電發(fā)電設(shè)備市場規(guī)模已達(dá)千億元。在目前裝備的各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 . 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)就能使風(fēng)力發(fā)電的效率提高到85%以上。同時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)可將風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接禍合，由此可去掉變速箱，使其工作更穩(wěn)定，還降低系統(tǒng)噪音，以達(dá)減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。到2015 年中國風(fēng)電有望實(shí)現(xiàn)1 億 kW 裝機(jī)容量，若按照每臺1MW級永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)需用欽鐵硼0.61.5 t計(jì)算，這將要消耗 6 萬 15 萬 t 釹鐵硼， 從這方面來看，稀土永磁材料有著廣闊的應(yīng)用空間7。1.1.3 節(jié)能家電節(jié)能家電也是未來釹鐵硼重要的替代應(yīng)用領(lǐng)

18、域，稀土永磁電機(jī)將被廣泛運(yùn)用于空調(diào)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等家用電器領(lǐng)域。目前在日本和歐美等國90%左右的空調(diào)均為變頻空調(diào)、但中國目前應(yīng)用較少。變頻空調(diào)由于具有舒適、節(jié)能等特點(diǎn)， 已成為未來的一種趨勢。在變頻空調(diào)領(lǐng)域，2010 年中國變頻空調(diào)出貨量3000萬臺，每臺平均消耗鉞鐵硼成品 0.17kg,折合毛坯0.28kg左右，每年需要鉆鐵硼毛坯8500 t。 目前中國變頻空調(diào)的市場份額只有10%， 日本市場的占有率卻高達(dá) 90%以上8。由此可見，變頻空調(diào)對釹鐵硼的需求彈性還很大，將成為拉動釹鐵硼產(chǎn)業(yè)需求迅速成長的強(qiáng)勁引擎。由于中國家電市場巨大，變頻家電的發(fā)展，必將為釹鐵硼永磁開拓一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。1

19、.1.4 信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)品對高性能稀土永磁材料需求不斷攀升，未來隨著信息產(chǎn)品存儲容量和處理性能要求的不斷提高，硬、 軟磁盤和光盤驅(qū)動器均需要高性能燒結(jié)和粘結(jié)永磁材料；隨著技術(shù)水平的提高，記錄密度也不斷攀升，如超過1TB 的硬盤，藍(lán)光DVD 等，因而對磁性材料的性能要求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年用于制造計(jì)算機(jī)驅(qū)動器所消耗的稀土磁體達(dá) 4 kt,是稀土磁體的最主要市場，占據(jù)其總銷量的50%10。1.1.5 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電是一種較為廉價(jià)且儲量十分豐富的新型清潔能源，未來面臨著良好的發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)企業(yè)所生產(chǎn)的欽鐵硼磁體，已能夠滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對性能的要求， 如果永磁風(fēng)電機(jī)組得到廣泛的應(yīng)用，將為釹鐵

20、硼產(chǎn)業(yè)帶來巨大的需求。但因風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往需要克服高溫、嚴(yán)寒、 風(fēng)蝕潮濕等惡劣的環(huán)境，使得其工作壽命比較短。而現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本都采用稀土永磁體來制成，其不僅發(fā)電效率高及自重輕，還具有優(yōu)異的耐蝕能力，能夠很好完成發(fā)電工作任務(wù)。據(jù)國家機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)顯示，使用釹鐵硼永磁作為懸浮軸承的發(fā)電機(jī)，其輸出功率增加約20%，即風(fēng)速不變情況下，發(fā)電量增加20%。由此可見，稀土永磁材料將會是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的長期需求9。目前，稀土材料的新應(yīng)用增長點(diǎn)在不斷增多。目前正在研制的磁懸浮列車對釹鐵硼的用量將超過所有領(lǐng)域，而若在正式線路應(yīng)用，稀土磁體的需求量將會空前龐大。目前，中國已經(jīng)形成自己的釹鐵硼產(chǎn)業(yè)體系，依靠資源和成本優(yōu)勢，行業(yè)發(fā)展迅速，特別是進(jìn)入21 世紀(jì)以后，中國的磁性材料行業(yè)年增長率都超過了20%4。4 結(jié)語從總體上講，我國稀土磁體的生產(chǎn)、使用、市場競爭等方面，與國外相比還有相當(dāng)差距，有待加強(qiáng)和提高。NdFeB 永磁材料的高性能使得高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的磁器件高效化、小型化、 輕型化成為可能，使許多過去不可能應(yīng)用永磁材料的領(lǐng)域開始使用磁器件，因而開辟了一些全新的永磁應(yīng)用領(lǐng)域。新型稀土系永磁材料的研究日益深入和廣泛，預(yù)期不久的將來新的材料會不斷開發(fā)出來，相信隨著稀土永磁材料應(yīng)用的擴(kuò)展，定會迎來一個(gè)永磁高新技術(shù)應(yīng)用的新時(shí)代。5 致謝本論文是在我的導(dǎo)師董博士的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她