稀土永磁材料的生产与应用

稀土永磁材料的生产与应用

1我国稀土永磁材料的发展方向近年来（2004-2008），中国的稀土磁性材料仍有所增加。目前永磁材料的生产量,应用量和销售量仍居世界之冠。在生产中稀土的金属主原料,生产工艺技术,应用领域和市场贸易等方面获得了较大的成就及发展。目前我国已经成为全球稀土永磁材料的生产、应用和市场的发展中心。其发展将更快更好。在我国稀土永磁材料发展中仍然保持着如下的独有优势:(1)丰富的稀土资源,可提供充足的永磁材料生产主原料(Nd,Sm,Dy,Pr和Tb等);(2)广阔的国内永磁品销售市场,保证了较大量的国内应用量的需求;(3)充足的低廉劳动力资源,促进了产品的成本低而利于市场竞争;(4)大量的技术人才参与永磁材料的生产,使工艺和装备不断提高和完善,保证了稀土永磁业的发展生命力。此外,在多年来我国永磁产业的进步中,已呈现了一些显著的特点:(1)国外的永磁材料生产厂不断地将企业转移到中国(且为稀土资源地区或原料供应地),以保证延续生产的能力。如日本,美国等企业移入内蒙包头,江西赣州,四川成都和上海等,以获得了稀土金属主原料及廉价劳动力;(2)企业经济形态共有国营,民营,合资及独资等,使在竞争中推进我国永磁业的进展;(3)在激烈的国内外竞争中优胜劣汰,提高磁业集中度而更利于实现大型化和现代化的工业水平。2稀土磁材料的生产和开发2.1稀土金属原料目前已能生产的四大类永磁材料,它们的原材料包括稀土金属材料,如Nd,Pr,Sm,Tb和Dy等。一般材料如Fe,B,Co,N等。添加元素如Co,Zr,Cu,Al,Ga,Nb等。这三种原材料,目前我国均可充足供给,特别是稀土金属如Nd,Pr,Sm,Dy及Tb的资源丰富,生产技术成熟,供应量无问题。(1)钐钴永磁材料(SmCo5和Sm2Co17)的原料为Sm≥99%(或Sm2O3≥99%)和Co≥99%,SmCo5中可加入Pr代替部分的Sm,降低成本,提高磁性能。Sm2Co17中加入Cu,Fe,Zr后成为Sm(Co,Cu,Fe,Zr)z(Z=7.0～8.3),以提高磁性材料的工作温度和磁性能。(2)钕铁硼永磁材料(烧结和粘结NdFeB)的原料是Nd≥99%,Fe≥99%,B≥99%(或FeB中B20%)。在烧结NdFeB中加入Pr,Dy代替部分Nd后可提高矫顽力。加入Co代替部分Fe后可提高居里温度。有时加入Tb,Al,Ga和Nb也可提高矫顽力或改变其它磁性能。(3)钐铁氮永磁材料(Sm2Fe17Nx和SmFe7Nx)的原料为Sm≥99%,Fe≥99%和N≥99.99%。在Sm2Fe17Nx中加入Zr,Co,B可提高磁性能。(4)纳米晶复合永磁材料(SmCo5/α-Fe)及(NdPrDy)2Fe14(B/α-Fe)。它由在纳米数内(一般为20nm)的高磁晶硬磁性相与高饱和磁化强度软磁性相之间磁交换耦合作用而构成的新型稀土永磁材料。近年来生产中所用的稀土金属原料(Sm,Nd,Dy等)的发展状况见表1所示。从表1可见,2004-2008年的5年中,Nd,Dy和Sm的消费量逐年增加,且增长较快(仅有2008年受经济危机的影响,Nd有些下降)。2004年后的任一年Nd的用量均比2000年多得多,如2008年比2000年Nd量猛增9倍。但Dy和Sm增长量较低。三种稀土金属量为2007年最高23265t/a,估计今后我国稀土永磁材料将会持续发展,故Nd,Dy和Sm用量也将增长较快。由于Pr,Tb的用量较少,未计入表1中。近年来,Nd,Dy和Sm的市价变化较大,对生产的永磁成本影响很大,据市场发展态势看,今后Nd,Dy和Sm的市价将处于高位,这对永磁发展是不利的。2.2永磁材料和装备水平取得进展多年来,因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,故对永磁材料质量和磁性能的提高较快,并促进了应用的发展和推进了永磁产业高速进展。(1)oe左右的应用传统的工艺法生产烧结NdFeB,磁性能如在(HB)m<40MGOe左右,仅用于一般的磁器件(如音响,磁疗,磁选机和磁化防腊器等),后来改进用低氧工艺生产或者用速凝熔铸锭和氢爆法等,使(HB)m提高到400kJ/m3(50MGOe)拓宽了产品的应用领域。(2)全热挤压生产ndfeb永磁体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(15MGOe)。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,获得较高的磁能积(BH)m=400kJ/m3(50MGOe),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。将磁粉压制成形或注射成形所得各向异性粘结NdFeB永磁体(MFP13)的磁能积(BH)m=310kJ/m3(38MGOe)和(MFP14)的(BH)m=263kJ/m3(33MGOe),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。(3)smco5永磁体的生产2000年以前,我国用烧结法生产SmCo5永磁体,(BH)m=250～279kJ/m3(31～35MGOe),而Sm(Co,Cu,Fe,Zr)z永磁体的(BH)m=223～263kJ/m3(28～33MGOe),如上永磁体我国都达到工业化生产水平。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产品的(BH)m=239～269kJ/m3(31～35MGOe),这可开拓SmCo5产品所应用领域,利于此磁体的向前发展。(4)粘结smfe17nx磁体在SmFeN中有Sm2Fe17Nx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Sm2Fe17Nx磁粉,以压制成形技术可制得粘结Sm2Fe17Nx磁体,(BH)m=123kJ/m3(15MGOe)。用铸锭破碎法和还原扩散法可制成各向异性Sm2Fe17Nx磁粉,以压制成形工艺制成各向异性粘结Sm2Fe17Nx永磁体,(BH)m=100～160kJ/m3(12～20MGOe)。也可用挤压成形及注射成形技术生产这种磁体。前者(BH)m=50～68kJ/m3(6.2～8.5MGOe),而后者(BH)m=84～103kJ/m3(10.4～13MGOe)。(5)fe14b相及软磁性-fe相组成近年来,我国已研制纳米晶复合永磁体。这种磁体是由硬磁性Nd2Fe14B相及软磁性α-Fe相组成。用快淬法制成的其晶粒为20nm,磁体磁性可达(BH)m=203kJ/m3(25MGOe),Br=0.95～1.2T(9.5～12kGs)。(6)超声波化学镀覆法因烧结NdFeB表面孔隙多,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所腐蚀。多年来用电镀,电泳,离子(分子)涂层等表面处理技术,其效果不理想。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行进水平,提高了产品的国际竞争力。目前此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。(7)机械性和耐蚀性粘结永磁体的粘结剂是磁品的重要组分之一,也是磁体的连续相。在磁体中可提高颗粒流动性,结合力,机械性和耐蚀性。因此,研制新型粘结剂极为重要。近年我国已研成一种磁体专用树脂BM-2C的新型粘结剂,对于生产更好的粘结NdFeB磁体具有极重要的作用和条件。该粘结剂适用于湿法和干法进行永磁粉的混合粘结较好,已在一些永磁厂批量生产的使用,技术及经济效果较好,提高了磁体的竞争力。(8)磁体生产的集中度近年来,我国的稀土永磁材料生产厂在市场激烈竞争中,优胜劣汰,重组合併,向更规模化的生产厂发展。目前全国永磁厂在原来的150多家厂,减少至近百家。主要分布在北京,包头,宁波,太原和天津等地。在东北及南方也有少量生产厂。总的看来,目前全国稀土永磁厂的大型化和现代化水平日益提高;国外永磁厂不断地向中国转移,以求生存;磁体生产的集中度越高;磁体的磁性能,开拓应用和市场竞争力提高较快。这种生产厂发展趋势是向国际化集团化前进。2.3稀土永磁材料的消费随着稀土永磁材料在高新技术部门的不断应用,市场对磁品的年需量要求更大,故使我国稀土永磁体的产能及产量发展极快,并迅速地发展成为全球磁体的生产大国,供应大国,应用大国及市场销售大国。据统计,目前我国的烧结和粘结NdFeB,SmCo型,SmFeN型及纳米晶复合永磁体等的总产量和产能均位列世界前茅。近年我国稀土永磁材料的产量及产能状况可见表2,3,4。从表2看出,烧结NdFeB产量基本上逐年增加,2007年产量最大为48000t,比2000年增长73%,但2008年有所降低为46000t,比2007年降低4.35%(主要受经济危机的影响,造成在汽车和电子等用量减少所致)。2004-2008年我国烧结NdFeB产量的年均增长率为26.2%。而产能利用率年均达到91%。由表3可知,近年我国粘结NdFeB的产能及产量逐年增加。2008年最高产量达2800t,比2000年增长61%。2004-2008年的年均增长率为16.7%。而产能的利用率于2008年最高为93%。而2008年粘结NdFeB的产量仅为烧结NdFeB产量的1/16,有待于今后加速发展。2007年与2000年相比,SmCo产量增长率29%。2004-2008年的年均增长率达21%,2004-2008年占全球总量的29～34%,今后SmCo永磁体将会保持此态势。2.4我国稀土永磁材料ndfeb、smfen及纳米晶复合磁体sh等特性近年来,随着市场需求增长及生产工艺技术的高速进步,我国永磁体的品种,质量及磁性能有明显的提高。如烧结NdFeB的磁性能中可生产高剩磁强度,高矫顽力,高磁能积,高耐腐蚀和高耐热性等磁体。如(BH)m=35～45MGOe已提高到≥50MGOe,已发展系列产品。如粘结NdFeB的(BH)m也有提高达13～25MGOe。如SmCo5型永磁的(BH)m=31～35MGOe,使用温度较高300～500℃。此外,新型的SmFeN及纳米晶复合磁体的质量及品种也在不断增长。从总体上看,我国的稀土永磁材料品种和质量处于同行业中之前列,磁性能也在迅速提高,接近全球先进水平,如烧结NdFeB的(BH)m≥50MGOe,估计今后将会全方位提高品种、质量和磁性能。近年来,我国稀土永磁材料烧结及粘结NdFeB,SmCo5型,SmFeN型和纳米晶复合永磁等的主要磁性能参数状况,可见表5所示。由表5可看出,烧结NdFeB的(BH)m=50MGOe为最高者。纳米晶复合永磁的矫顽力最大为Hej=8000kA/m。SmFeN型的使用温度高达498℃。如上的不同磁性能可为用户选用。3高新技术及设备近年来,我国主要稀土永磁材料除了在传统应用上有所扩大之外,在高新技术及其它新领域中取得了明显的进步,风力发电及磁悬浮列车等的应用有新的发展。3.1防风发电系统目前我国已大力发展风力发电时期。使用烧结NdFeB永磁制成发电机,具有如下优点:(1)可提高发电量20%。(2)稳定性好寿命长1.0倍,成本低。(3)运行环境低,占地面积小,噪音小,因此,适合于海岛,山区和草原等场地的开发,其可能在轻风启动,微风发电的特点情况下,极易于进行产业化和规模化的作业。这个应用领域前景看好。2006年我国已实行了“风力发电”产业化,全国有条件的20省市均在应用或计划开发。据统计,在2010年后估计风力发电使用烧结NdFeB永磁6000t以上。悬浮高速列车新技术,已在我国进行实际的试运行,或正在规划建设中。据知,已有上海,北京和武汉等地准备实施这方面项目,它具有列车速度快,投资大,无噪音等特点,因此,作为一种新技术交通工具是具有发展潜力,也表明了一个国家交通工具的现代化水平。烧结NdFeB材料在此方面的用量也相当可观。3.2内容分析应用近年来,我国粘结NdFeB磁品主要在消费类电子产品。在办公室自动化设备,电动和视听设备,仪器仪表,小型马达,家用电器和传感器等的应用较多。其中办公室自动化和汽车马达是今后最大的用户。特别是在硬盘及软盘驱动器的多极主轴电机方面占有绝对优势,估计这方面需求量为1.0亿只以上,潜力巨大。据知,西方世界粘结NdFeB磁体的应用比例为:计算机61%,电子9%,办公化自动设备8%,汽车7%,器具6%,其它9%,我国的应用比例与西方世界有差别。据了解,近年日本粘结NdFeB用量1200t/a,美国次之,中国占第三位。3.3smco-永宁的应用目前这种磁品主要用于军工方面,但其用量发展不快。它适用于工作温度较高和恶劣场合中。如人造卫星的行波器和环行器等。4稀土永磁材料出口产品的价格和工艺分析近年我国主要稀土永磁材料(烧结NdFeB,粘结NdFeB,SmCo型等)的国内外销售发展状况可见表6。从表6可知,2004-2008年永磁体的国内外市场销售量不断增加,每年的销售额达到70～90亿元左右。此外,近年来的烧结NdFeB,粘结NdFeB及SmCo型永磁体的市价年有变化。如前者市价约为25～26万元/t。中者市价约为45～46万元/t。后者市价约为68～69万元/t。而上述三种磁品的出口价格比国内较高些,但竞争极为激烈。因为我国出口的烧结NdFeB磁晶磁性能较低[如(BH)m～45NGOe],所以出