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摘 要：近年來高性能永磁鐵氧體材料技術發展迅速，本文簡要介紹了當前高性能永磁鐵氧體技術發展現狀，并著重介紹了近年來東磁公司高性能研究開發和量產化情況，最后對高性能永磁鐵氧體未來市場情況和技術發展前景進行了展望。
一、前言
永磁鐵氧體是以碳酸鍶或碳酸鋇及鐵氧化物為主要原材料，加上少量其它添加物，通過陶瓷工藝（預燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結和磨加工）制造而成，具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁，一經磁化即能保持恒定磁性的功能性材料。按生產工藝不同，可將永磁鐵氧體分為燒結和粘結兩種，其中燒結又分為干壓成型和濕壓成型，粘結分為擠出成型、壓制成型和注射成型。由粘結鐵氧體料粉與合成橡膠復合而制成的具有柔軟性、彈性及可扭曲的磁體又被稱做橡膠磁。根據成型時是否外加磁場則分為各向同性永磁鐵氧體和各向異性永磁鐵氧體。
高性能永磁鐵氧體電機磁體是永磁直流電機的關鍵基礎功能材料之一，具有高剩余磁通密度、高矯頑力和高磁能積等特性，能滿足強退磁場，低溫，高海拔等各種環境下電機的使用要求，具有高的靈敏度和穩定性，可以廣泛應用于高功率、高轉速、高扭矩的各類電機，如汽車電機（ABS電機、啟動電機等）、摩托車啟動電機、家用電器以及電動具馬達等領域。
本文簡要介紹了當前高性能永磁鐵氧體材料技術發展現狀，并著重介紹了近年來東磁公司高性能研究開發和量產化情況，最后對高性能永磁鐵氧體未來市場情況和技術發展前景進行了展望。
二、高性能永磁鐵氧體當前發展水平
近二十年來，以TDK公司為代表的日本永磁鐵氧體廠商在永磁鐵氧體的研究和生產上取得了突破性進展，相繼研究并生產出濕壓FB6及FB9系列永磁鐵氧體和干壓FB5系列，其主要技術特點是以Sr鐵氧體為基礎，通過La-Co聯合代換為代表的離子代換技術。FB6和FB9系列濕壓永磁鐵氧體和FB5系列干壓永磁鐵氧體材料性能如表1和表2所示：
表1 TDK公司濕壓FB6和FB9系列永磁鐵氧體性能指標
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牌號 |
Br(mT) |
Hcb(kA/m) |
Hcj(kA/m) |
(BH)max(kJ/m-3) |
|
FB9N |
460±10 |
278.5±11.9 |
286.5±11.9 |
40.4±1.6 |
|
FB9B |
450±10 |
342.2±11.9 |
358.1±11.9 |
38.6±1.6 |
|
FB9H |
430±10 |
330.2±11.9 |
397.9±11.9 |
35.0±1.6 |
|
FB6N |
440±10 |
258.6±11.9 |
262.6±11.9 |
36.7±1.6 |
|
FB6B |
420±10 |
302.4±11.9 |
318.3±11.9 |
33.4±1.6 |
|
FB6H |
400±10 |
302.4±11.9 |
358.1±11.9 |
30.3±1.6 |
|
FB6E |
380±10 |
290.5±11.9 |
393.9±15.9 |
27.5±1.6 |
據文獻報道，1997年，TDK公開發布開發成功性能大幅提升了的新材料——鑭鈷摻雜鍶鐵氧體，稱之為FB9系列，采用新配方成分的FB9系列與舊型的FB6 系列相比，在較大磁能積上提高了30%左右。
表2 TDK公司干壓FB5系列永磁鐵氧體磁性能指標
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牌號 |
Br(mT) |
Hcb(kA/m) |
Hcj(kA/m) |
(BH)max(kJ/m-3) |
|
FB5D |
415±10 |
254.6±11.9 |
262.6±15.9 |
32.6±1.6 |
|
FB5DH |
400±10 |
278.6±11.9 |
318.3±15.9 |
30.3±1.6 |
2007年初，日立和TDK公司又先后公告推出12系列相關永磁鐵氧體材料，其基本性能如表3所示。TDK公司的FB12系列產品公告中指出，12系列產品與該公司現有的FB9系列相比，磁能積（(BH)max）提高了約20%，內稟矯頑力（Hcj）和剩余磁通密度（Br）也得到了提高，同時，Hcj等磁性能不易隨溫度變化，溫度變化是FB9系列的1/3左右。公告同時指出：磁性能的提高主要有兩個原因，一是添加了新元素，同時改變了鑭（La）和鈷(Co)的含量；另一個是將組成磁鐵的結晶粒子縮小到1μm以下，并且降低了粒子的不均一性。
表3 日立和TDK公司12系列永磁鐵氧體基本性能指標
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公司 |
牌號 |
Br(mT) |
Hcb(kA/m) |
Hcj(kA/m) |
(BH)max(kJ/m-3) |
|
TDK |
FB12B |
470±10 |
340±12 |
380±12 |
43.1±1.6 |
|
FB12H |
460±10 |
345±15 |
430±15 |
41.4±1.6 |
|
|
日立 |
NMF12E |
470±10 |
294-334 |
≥310 |
39.7-43.0 |
|
NMF12F |
460±10 |
318-358 |
≥342 |
38.2-41.4 |
|
|
NMF12G |
450±10 |
310-350 |
≥382 |
36.6-39.8 |
2010年初，TDK公司再次推出新材料牌號FB13B/FB14H，其具體性能指標如表4所示。區別于以前的濕壓各向異性和干壓各向異性，TDK提出了一種新的概念，稱之為薄壁各向異性材料，其特點在于產品的厚度在2mm左右。
表4 TDK公司薄壁各向異性FB13B/14H永磁鐵氧體磁性能指標
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牌號 |
Br(mT) |
Hcb(kA/m) |
Hcj(kA/m) |
(BH)max(kJ/m-3) |
|
FB13B |
475±10 |
340±20 |
380±20 |
44.0±1.6 |
|
FB14H |
470±10 |
355±20 |
430±20 |
43.1±0.2 |
TDK認為運用傳統的生產工藝很難生產壁厚不到3mm的薄型高性能鐵氧體磁鐵。但是，人們對車載電器用直流電機以及電機的小型化、輕量化的要求越來越強，需要實現磁鐵的薄型化。于是，TDK 開發了名為“NS1工藝”的新生產工藝?；?span>FB12 材料，引進特殊的高密度充填生產方法，確立了壁厚僅有1. ~2.5mm 的高性能薄型各向異性鐵氧體磁鐵的量產技術。開發并生產了高性能薄型各向異性材質的FB13B、FB14H產品。突破了傳統工藝界限的NS1工藝擴大了鐵氧體磁鐵的形狀自由度，還能滿足特殊薄型形狀的要求。TDK的FB13B/FB14H材料運用材料技術、過程技術等核心技術，同時實現了薄型化和高性能化，大力促進各種電機和執行器等的小型化與高性能化。
三、東磁高性能永磁鐵氧體材料開發進展
自2000年以來，東磁公司一直致力于高性能永磁鐵氧體的研究開發和批量生產。在引進國內外材料技術專家的指導下，很快就順利研制出相當于日本TDK公司FB6系列牌號的產品(性能指標見表5)，2002年就成功實現了批量化生產，目前已成為公司永磁部門主要的經濟增長點。
表5 東磁公司DM4240系列永磁鐵氧體材料牌號性能指標
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東磁牌號 |
Br(Gs) |
Hcb(Oe) |
Hcj(Oe) |
(BH)max(MGOe) |
相當于TDK牌號 |
|
DM4240 |
4100~4300 |
3550~3850 |
3850~4150 |
4.0~4.4 |
FB6B |
|
DM4045 |
3900~4100 |
3300~3750 |
4300~4750 |
3.7~4.1 |
FB6H |
|
DM3850 |
3700~3900 |
3500~3800 |
480~5100 |
3.2~3.6 |
FB6E |
|
DM4433 |
4300~4500 |
3100~3400 |
3150~3450 |
4.4~4.8 |
FB6N |
隨后我公司研發人員在DM4240牌號材料配方基礎上，通過科學配方摻雜和生產工藝優化，于2005年在實驗室成功開發出DM4545材料(相當于TDK公司FB9B材料)。在此基礎上后來又陸續開發出相當于TDK公司FB9系列的DM4545系列材料牌號，其主要性能指標如表6所示。目前我公司DM4545系列永磁鐵氧體材料各牌號產品以成功實現批量生產，有力地占據了永磁鐵氧體材料的技術高地，提升了公司永磁鐵氧體磁體的市場競爭力。與DM4240磁體相比，采用我公司DM4545材料牌號磁體做成的汽車電機，在同樣的退磁條件和工作溫度下，磁體厚度可減少19%，體積縮小25%，因而進一步拓寬了其在中高品質電機中的應用。
表6 東磁公司DM4545系列永磁鐵氧體材料牌號性能指標
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東磁牌號 |
Br(Gs) |
Hcb(Oe) |
Hcj(Oe) |
(BH)max(MGOe) |
相當于TDK牌號 |
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DM4545 |
4400-4600 |
4000-4400 |
4350-4650 |
4.6-5.0 |
FB9B |
|
DM4350 |
4200-4400 |
3700-4100 |
4850-5150 |
4.2-4.6 |
FB9H |
|
DM4636 |
4500-4700 |
3200-3600 |
3350-3750 |
4.6-5.0 |
FB9N |
2007年以來，隨著日本TDK和日立公司先后推出12系列永磁鐵氧體材料牌號，東磁公司積極應對，迅速組織技術力量進行項目立項攻關，形成DM4748高性能永磁鐵氧體系列材料牌號。目前我公司DM4748系列材料的(含正在研發的)主要包括三個牌號，其主要技術性能指標如表7所示。其中DM4550材料已經于2008年底開發成功，順利通過公司內部實驗室設計定型，隨后已小批量投放市場，并在2010年十月順利通過省級新產品鑒定；DM4654材料實驗室基本達到項目要求水平，將于近期進行實驗室設計定型；DM4748材料正在努力開發中，并已經取得一定的進展。
表7 東磁公司DM4748系列永磁鐵氧體材料牌號性能指標
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東磁牌號 |
Br(Gs) |
Hcb(Oe) |
Hcj(Oe) |
(BH)max(MGOe) |
相當于日本公司牌號 |
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DM4550 |
4400-4600 |
3800-4200 |
4800-5200 |
4.6-5.0 |
日立公司NMF12G |
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DM4654 |
4500-4700 |
4110-4490 |
5210-5590 |
5.0-5.4 |
TDK公司FB12H |
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DM4748 |
4600-4800 |
4110-4490 |
4610-4990 |
5.2-5.6 |
TDK公司FB12B |
四、結語
近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車、各種家用電器大規模進入千家萬戶，這給高性能永磁材料帶了巨大的市場機會。與此同時，由于近兩年隨著國家稀土政策的變化，稀土永磁材料價格暴漲。迫于成本壓力，下游電機廠商紛紛盡可能的使用高性能永磁鐵氧體材料替換價格高昂的稀土永磁材料。因此，在未來較長的一段時間內，高性能永磁鐵氧體材料將獲得巨大的市場發展機會。同時這也對永磁鐵氧體材料提出了更高的要求，筆者認為未來永磁鐵氧體材料技術發展前景主要包括以下幾點：(1) 高性能永磁鐵氧體材料配方研究，力爭在現有工藝基礎上，利用科學摻雜、新元素取代，開發出具有更高綜合磁性能的優良配方；(2) 永磁鐵氧體材料生產工藝革新研究，通過較大幅度的優化現有生產工藝，進一步提高現有產品的性能和批量一致性；(3) 高性能永磁鐵氧體材料產品研究，主要是利用現有的高性能永磁鐵氧體材料，開發出滿足客戶特殊要求的產品和器件。
