正文 第11章 新型稀土永磁材料(1 / 1)

早期生產和使用的永磁材料是以碳鋼為代表的淬火馬氏體鋼。它們的矯頑力很低,最大磁能積也不高。從1931年鐵鎳鋁合金問世以後,經過工藝成分調整、磁場熱處理和定向澆鑄技術的應用,逐步形成高性能的鋁鎳鈷係永磁合金。由於具有高剩磁、高矯頑力、高的最大磁能積和高的溫度穩定性,使這種材料在很長一段時間內在永磁材料中占有統治地位。由於含有稀缺物資鎳和鈷,成本較高,造成近年來產量不斷下降,但是即使到今天,它的溫度穩定性指標仍然是所有永磁材料中最好的,因此在精密儀表等應用場合仍然是唯一可以選用的材料。在鋁鎳鈷係永磁合金發展的同時,為了克服一般永磁材料硬而脆的缺點,允許加工成片、帶、板、線以滿足特殊的需要,在20世紀50年代後,屬於鐵氧體永磁材料的鋇鐵氧體和銀鈣鐵氧體先後投入工業化生產,由於價廉、工藝較簡單,加上性能也不錯,它們的發展奪走了大部分鋁鎳鈷永磁原先占有的市場,特別是在電聲器件方麵。由於價廉的優勢和不斷地改進工藝,使性能穩步提高,在永磁材料中它們的產值一直高居60%左右。

20世紀70年代以來,以鐵鈷合金和釹鐵硼合金為代表的稀土永磁合金的先後誕生,在全世界掀起了研究和探索新型永磁材料的高潮,促進了材料的飛速發展,這類材料以及用它們和塑料、橡膠等混合製成的粘結磁體具有很大的經濟效益和應用潛力,由此引發了一場永磁材料發展史上最大的專利大戰和激烈的市場競爭。

1.三代稀土永磁材料

稀土永磁材料指的是由稀土元素和過渡族元素鐵、鈷等所組成的金屬間化合物永磁材料。稀土元素大部分都含有未被電子填滿4f 電子殼層,由此人們早就預言它們也應具有強磁性。後來的研究證實了這一點。隻是因為它們的居裏溫度普遍低於室溫才導致室溫下隻呈現弱磁性。直到1967年,在稀土—過渡族金屬間化合物磁性的研究上才取得重大突破。兩年之後,它的最大磁能積被極大地提高,幾乎是普通鋁鎳鈷永磁合金的3倍多,這就是第一代稀土永磁材料。1975年,這種永磁材料正式投入生產。1972年,成分為Sm2Co17的第二代稀土永磁材料問世,1982年前後投入大規模生產。由於第二代稀土永磁材料在性能上優於第一代,且通過添加銅、鐵、鉻等元素取代部分鈷,降低了成本,因此它的實際應用程度已超過第一代稀土永磁材料。

1983年底,高性能的第三代稀土永磁材料誕生。

這年11月,日本住友特殊金屬公司在國際學術會議上突然宣布他們已用傳統的粉末燒結工藝製成了最大磁能積高達303千焦/立方米的釹鐵硼永磁合金,轟動了全世界。

2.第四代稀土永磁材料

高性能釹鐵硼磁體的研究和生產目前已遍及世界各國。近年來,為了改進工藝,降低磁體的成本和進一步改善永磁性能,采用了許多獨特的方法,引進了一些先進的工藝設備。例如,德國戈德施密特公司采用還原擴散工藝,直接用氧化釹為原材料,混入適量鐵粉、氧化鐵粉、鐵硼合金粉及鈣粉後,於1100~1200℃在真空中處理4小時,然後再用漂流法除去氧化鈣,即可生成釹鐵硼永磁粉。1986年該公司已建成年產100噸的生產線,這種工藝設備簡單、成本低廉,最大磁能積也可達327千焦/立方米。又如,氫爆製粉工藝,可提高製粉效率,這是利用釹鐵硼鑄錠置於壓力為105帕的氫氣下能大量吸收氫氣這一特點。吸氫後的鑄錠於800℃左右在氫氣中加熱2小時(稱為歧化),可使產物成為晶體或微晶,最後通過抽真空在同一溫度下加熱1小時冷卻到室溫即可脫去所含的氫,形成極細的微晶粉末。這種粉末矯頑力高,適於製作粘結磁體。

3.粘結稀土永磁材料

粘結稀土永磁材料是指將稀土永磁粉末和一些膠粘劑如橡膠、熱可塑樹脂或熱硬化樹脂等混合再經成型和固化得到的磁體。它們的製造工藝簡單,原材料利用率高,性能一致性好,成型後即可得到精確的產品尺寸,可以做成形狀複雜和薄壁帶有徑向取向的環狀產品,而且機械強度高並耐衝擊。如果改變稀土永磁粉末和膠粘劑的比例,所得到的磁體性能可在較大範圍內調整,因此應用範圍廣,發展極為迅速。1995年全世界粘結釹鐵硼永磁體年產量達2千噸,產值1.5億美元,2000年產量達1萬噸,相當於燒結釹鐵硼磁體的產量,產值超過了5億美元。