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永磁材料是一種不需要消耗電能就可以持續(xù)提供磁能的物體，它具有能量轉(zhuǎn)換的功能，是重要的功能材料。汝鐵硼NdFeB永磁體以其極高的“磁能積”轟動(dòng)于世，由于其優(yōu)異的磁性而被稱為“磁王”，是目前世界上最強(qiáng)的永磁體。
什么是磁性材料？
磁性材料是一種生活中非常重要的功能性材料，可分為一般永磁材料和稀土永磁材料。它的應(yīng)用十分廣泛，無(wú)論是國(guó)防軍工、能源產(chǎn)業(yè)、信息通訊、汽車工業(yè)還是電機(jī)工程領(lǐng)域，都能見(jiàn)到它的身影。其中，稀土永磁材料由于其高性能，發(fā)展得十分迅猛，電子器件朝著小型化發(fā)展的趨勢(shì)，在一定程度上也推動(dòng)了它的發(fā)展。
磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史
1、鈷鋼：1930年，人類最早制造的磁石材料，磁性雖然比天然磁石強(qiáng)了許多，但仍舊是低性能永磁材料。
2、Alnico鑄造永磁：后來(lái)人們利用Al、Ni、Co和Fe按比例配制成更強(qiáng)的永磁材料，Br可達(dá)12000～13000高斯，（BH）m可達(dá)5～10MGOe，Hc為500～600Oe。
3、恒磁鐵氧體：20世紀(jì)50年代利用氧化鐵粉研制成功金屬陶瓷永磁材料，一般Br為3000～4000Gs，（BH）m為3.0～5.0 MGOe，Hc為1500～3000Oe。由于是氧化鐵粉，所以成本較低，價(jià)格便宜。
4、稀土鈷永磁（第一代）：在20世紀(jì)70年代前后研制成功稀土鈷永磁，Br可達(dá)0.9～11.0KGs，（BH）m為18～20MGOe，Hcj可達(dá)30K以上。是第一代稀土永磁。主要是SmCo5，SmPrCo5等牌號(hào)。
5、稀土鈷永磁（第二代）：到20世紀(jì)70年代末又研制成功Sm2（Co，Cu，F(xiàn)e，Zr）17型稀土鈷永磁，（BH）m可達(dá)30MGOe，常稱第二代稀土永磁。
6、釹鐵硼永磁（第三代）：到20世紀(jì)80年代末又研制成功迄今為止世界上最強(qiáng)的磁體，釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁材料，Br為12000～15000Gs，（BH）m可達(dá)40～50MGOe，Hc12.0～30KOe，稱為第三代稀土永磁。
誰(shuí)是“磁王”？
第三代稀土永磁材料釹鐵硼是當(dāng)代磁鐵中性能最強(qiáng)的永磁鐵，由于其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”。
它的BHmax值是鐵氧體磁鐵的5~12倍，是鋁鎳鈷磁鐵的3~10倍；它的矯頑力相當(dāng)于鐵氧體磁鐵的5~10倍，鋁鎳鈷磁鐵的5~15倍；其潛在的磁性能極高，能吸起相當(dāng)于自身重量640倍的重物。
“磁王”釹鐵硼
釹鐵硼是一種由稀土金屬釹、金屬元素鐵、非金屬元素硼以及少量添加元素鐠、鏑、 鈮、 鋁、鎵、銅等元素組成的稀土永磁化合物，簡(jiǎn)單來(lái)講是一種磁鐵，又稱磁鋼。釹鐵硼永磁體磁性能優(yōu)良，質(zhì)輕價(jià)廉，應(yīng)用范圍廣泛，是迄今為止性價(jià)比最高的磁體材料。
釹鐵硼擁有極高的磁性能其最大磁能積，其本身的機(jī)械加工性能亦相當(dāng)之好，而且其質(zhì)地堅(jiān)硬，性能穩(wěn)定，有很好的性價(jià)比，故其應(yīng)用極其廣泛。但因?yàn)槠浠瘜W(xué)活性很強(qiáng)，所以必須對(duì)其表面凃?qū)犹幚恚ㄈ珏僙n、Ni、電泳、鈍化等）。其溫度性能不佳，在高溫下使用磁損失較大，最高工作溫度較低。一般為80℃左右，在經(jīng)過(guò)特殊處理的磁鐵，其最高工作溫度才可達(dá)200℃。
一、NdFeB的相組成
材料的基本組成影響材料的性能，燒結(jié)釹鐵硼永磁體主要采用粉末冶金法進(jìn)行生產(chǎn)，它至少同時(shí)存在以下4種不同的相：
① 基體相（主相）：Nd2Fe14B相。它是在1200℃左右通過(guò)包晶反應(yīng)形成的，是合金中唯一的磁性相。NdFeB磁體的優(yōu)異的磁性能主要?dú)w功于Nd2Fe14B相的高飽和磁化強(qiáng)度（μMs=1.6T）和各向異性場(chǎng)（7.3T）。
② 富Nd相：其熔點(diǎn)為650～700℃，是合金中最后凝固的，以薄層狀和塊狀存在，分布在晶界的交隅處或Nd2Fe14B的晶界上。它雖然是非磁性相，但由于其低熔點(diǎn)特性，在燒結(jié)時(shí)彌散分布于主相周圍，不但起到使燒結(jié)體致密化的作用，還使晶粒長(zhǎng)大受到抑制，促進(jìn)矯頑力提高，因此是必不可少的。
③ 富B相Nd1+εFe4B4：當(dāng)合金中硼含量超過(guò)Nd2Fe14B的正常成分時(shí)才形成，它對(duì)磁性能沒(méi)有貢獻(xiàn)，一般數(shù)量極小，對(duì)磁性能影響不大。
④ α-Fe∶其熔點(diǎn)為1520℃，是合金中熔點(diǎn)最高的相，最先從液態(tài)合金中析出，a-Fe是軟磁相，它的存在導(dǎo)致了主相的減少和富釹相的增加，破壞了主相和富釹相的最佳配比，損害了主相晶粒的磁取向，同時(shí)還使燒結(jié)過(guò)程中局部區(qū)域的晶粒粗化，不僅使磁性能惡化，也使電鍍層組織變壞，影響防護(hù)作用。因此，從制造工藝上采取措施盡量減少或清除α-Fe相的產(chǎn)生，如片鑄工藝和快淬工藝等。
二、釹鐵硼的分類
由于制造方法和使用要求不同，NdFeB永磁可分為三大類：
（1）粘結(jié)型NdFeB（Bonded NdFeB）：NdFeB粘結(jié)磁體是用激冷的方法獲得微晶粉末，每個(gè)粉末內(nèi)含有多個(gè)Nd-Fe-B微晶晶粒，再用聚合物或其它粘結(jié)劑將粉末混粘結(jié)合后壓制，擠壓或壓延而成塑料狀永磁體，因而通常的NdFeB粘結(jié)磁體是非致密的各向同性磁體。
通常的NdFeB粘結(jié)磁體的磁性能遠(yuǎn)低于NdFeB燒結(jié)磁體，但NdFeB粘結(jié)磁體有著許多NdFeB燒結(jié)磁體不可替代的優(yōu)點(diǎn)：加工精度高、成材率高、精密度高、磁性能極佳、耐腐蝕性好、溫度穩(wěn)定性好；另外，Nd-Fe-B粘結(jié)磁體還便于任意方向充磁，能方便制作多極乃至無(wú)數(shù)極的整體磁體。
（2）燒結(jié)型NdFeB（Sintered NdFeB）：燒結(jié)型NdFeB永磁體是通過(guò)粉末冶金法而制成的，主要工序?yàn)椋汉辖鸹ㄈ蹮挘制扑椤?xì)碎→研磨成3～5.0?m細(xì)粉→磁場(chǎng)取向壓制→真空燒結(jié)回火→檢驗(yàn)→加工→成品。燒結(jié)型NdFeB永磁體矯頑力值很高，機(jī)械性能相當(dāng)好，可以切割加工不同的形狀和鉆孔，但容易導(dǎo)致銹蝕，所以根據(jù)不同要求必須對(duì)表面進(jìn)行不同的鍍層處理。且非常堅(jiān)硬和脆、有高抗退磁性、不適用于高工作溫度。
（3）注塑釹鐵硼（Zhusu NdFeB）：有極高之精確度、容易制成各向異性形狀復(fù)雜的薄壁環(huán)或薄磁體。
三、腐蝕機(jī)理
NdFeB永磁體的易腐蝕性一方面是由于Nd是化學(xué)活性最高的元素之一（它的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)E0（Nd?+/Nd）=-2.431V；另一方面，該合金是一種多相結(jié)構(gòu)，各相間電化學(xué)位相差較大，易引起電化學(xué)腐蝕。
此外，NdFeB燒結(jié)過(guò)程中，磁體內(nèi)部及表面容易出現(xiàn)微孔、結(jié)構(gòu)疏松、表面粗糙等缺陷，而NdFeB永磁材料在應(yīng)用中的工作環(huán)境常為高溫、高濕，這些缺陷在高溫、高濕環(huán)境下為NdFeB腐蝕提供了便利條件。同時(shí)，NdFeB制造過(guò)程中易含有O、H、Cl等雜質(zhì)元素及其化合物，對(duì)腐蝕性影響最大的是O和Cl元素，磁體與O產(chǎn)生氧化腐蝕，而Cl及其化合物將加速磁體的氧化過(guò)程。
NdFeB易腐蝕的原因主要?dú)w結(jié)為：工作環(huán)境、材料結(jié)構(gòu)、制作工藝。研究表明，NdFeB磁體的腐蝕主要發(fā)生在以下3種環(huán)境中∶暖濕環(huán)境、電化學(xué)環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境（>250℃）。
01 高溫環(huán)境
在干燥環(huán)境中，當(dāng)溫度低于150℃時(shí)，NdFeB磁體氧化速度很慢。但在較高溫度下，富Nd區(qū)會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)∶4Nd＋3O2=2Nd2O3。隨后，Nd2Fe14B相會(huì)分解生成Fe和Nd2C3。進(jìn)一步氧化，還將出現(xiàn)Fe2O3等產(chǎn)物。
02 暖濕環(huán)境在暖濕條件下，NdFeB磁體表層的富敏晶界相首先與環(huán)境中的水蒸氣按下式發(fā)生腐蝕反應(yīng)：3H2O＋Nd=Nd（OH）3＋3H。反應(yīng)生成的H滲人晶界中，與富Nd相發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)：Nd＋3H→NdH3，造成晶界腐蝕。NdH3的生成將會(huì)使晶界體積增大，造成晶界應(yīng)力，導(dǎo)致晶界破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使晶界斷裂造成磁體粉化。
環(huán)境濕度對(duì)磁體耐蝕性的影響要遠(yuǎn)比溫度的影響大得多，這是因?yàn)榇朋w在干燥的氧化環(huán)境下，形成的腐蝕產(chǎn)物薄膜較致密，在一定程度上將磁體與環(huán)境分隔開(kāi)，阻止了磁體的進(jìn)一步氧化，而在潮濕的環(huán)境下生成的氫氧化物和含氫化合物不致密，不能阻止H2O對(duì)其的進(jìn)一步作用。特別是當(dāng)環(huán)境濕度過(guò)大時(shí)，如果磁體表面有液態(tài)水存在時(shí)，將會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。
03 電化學(xué)環(huán)境
電化學(xué)環(huán)境中，NdFeB磁體中各相的電化學(xué)電勢(shì)不同。富釹相和富硼相相對(duì)于Nd2Fe14B來(lái)說(shuō)成為陽(yáng)極，將會(huì)優(yōu)先發(fā)生腐蝕，形成局部腐蝕的微電池。這種微電池具有大陰極小陽(yáng)極的特點(diǎn)，少量的富釹相和富硼相作為陽(yáng)極承擔(dān)了很大的腐蝕電流密度，而它們是分布于Nd2Fe14B相的晶界上的，這樣就會(huì)加速其晶界腐蝕。當(dāng)磁體表面有金屬鍍層（如電鍍Zn、Ni等）時(shí)，一但鍍層出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，在磁體與金屬鍍層間也會(huì)形成腐蝕電池作用。
一般情況下，磁體作為陽(yáng)極而優(yōu)先腐蝕，金屬鍍層作為陰極，這就是為什么具有鍍層的磁體往往出現(xiàn)暴皮現(xiàn)象的原因。另外，在對(duì)磁體進(jìn)行表面處理的工藝過(guò)程中要接觸各種鍍液（如電鍍、化學(xué)鍍等），而燒結(jié)NdFeB磁體具有一定的孔洞，這樣在這些工藝過(guò)程中，酸液或鍍液就會(huì)進(jìn)入孔洞，在以后的使用過(guò)程中也會(huì)造成電化學(xué)腐蝕。
四、防護(hù)技術(shù)
釹鐵硼磁體的防護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)單地分為化學(xué)防護(hù)技術(shù)和物理防護(hù)技術(shù)兩大類。
化學(xué)防護(hù)技術(shù)主要包括制備金屬鍍層的電鍍、化學(xué)鍍，制備陶瓷鍍層的轉(zhuǎn)化膜以及有機(jī)涂層的噴涂、電泳等。生產(chǎn)中以電鍍工藝在釹鐵硼磁體工件表面制備金屬防護(hù)鍍層最為常用。電鍍是將磁體工件作為陰極，利用外電流，將電鍍?nèi)芤褐械慕饘訇?yáng)離子在磁體表面還原，形成金屬鍍層的過(guò)程。燒結(jié)釹鐵硼磁體電鍍防護(hù)主要以提高磁體耐腐蝕性能為主，同時(shí)兼有提高表面力學(xué)性能、裝飾等作用。
電鍍的優(yōu)點(diǎn)包括：工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成膜速度快，易于大批量生產(chǎn)。大部分用于鋼鐵、有色金屬工件防護(hù)的電鍍金屬層的鍍種均可用于釹鐵硼磁體。用于釹鐵硼磁體防護(hù)的主要鍍種有Zn、Ni、Cu、Cr、Sn、Au、Ag等。由于釹鐵硼磁體具有多孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)活潑，單層鍍層常不能滿足較高的耐蝕要求，一般說(shuō)來(lái)采用多層復(fù)合鍍可為磁體表面提供更為有效的防護(hù)。目前廣泛采用的有電鍍鋅、電鍍Ni-Cu-Ni、電鍍Ni-Cu-Ni+Ag、電鍍Ni-Cu-Ni+Au、電鍍Ni-Cu-Ni+電泳環(huán)氧等。
鋅沒(méi)有磁性，作為防護(hù)鍍層對(duì)磁體磁性能影響小。與鎳、銅相比，鍍鋅價(jià)格相對(duì)低廉。鋅的硬度較低，鍍層內(nèi)應(yīng)力較小，不適用于防護(hù)易磨損的釹鐵硼磁體工件。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)鋅鍍層用于釹鐵硼磁體防護(hù)形成原電池時(shí)可以通過(guò)犧牲陽(yáng)極來(lái)保護(hù)基體。鋅鍍層的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-0.762V，在研究了釹鐵硼磁體各成分相的電極電位后基本可以認(rèn)定鋅鍍層并不能提供完全的陽(yáng)極防護(hù)。實(shí)際使用效果上來(lái)看，鋅鍍層對(duì)釹鐵硼磁體的犧牲防護(hù)的效果并不明顯。鋅鍍層如果不經(jīng)過(guò)處理，在空氣中會(huì)變暗，因此鍍鋅后還需要進(jìn)行鈍化處理。
鎳鍍層的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.25V，較釹鐵硼磁體正，為陰極性鍍層，一旦外界電解質(zhì)滲入鍍層內(nèi)部，反而會(huì)造成基材加速腐蝕，導(dǎo)致鍍層和基體的結(jié)合力變差，出現(xiàn)鍍層分層、起泡等缺陷，應(yīng)用中對(duì)鎳鍍層致密度的要求非常高。釹鐵硼磁體表面電鍍鎳，通常采用多層體系如Ni-Cu-Ni來(lái)降低鍍層的孔隙率，提高鍍層抗耐蝕性能。相對(duì)而言，電鍍Ni-Cu-Ni成本比電鍍鋅高，但因耐高溫、抗氧化、耐蝕、裝飾性能、力學(xué)性能較優(yōu)而受到用戶青睞.可直接用于釹鐵硼磁體防護(hù)的單質(zhì)金屬電鍍層還有銅、錫、金、銀等，同時(shí)還有相當(dāng)多的合金鍍技術(shù)也可以用于釹鐵硼磁體防護(hù)，如鎳磷合金、鎳硼合金、鋅鐵合金、鋅鎳合金等等。對(duì)于釹鐵硼磁體來(lái)說(shuō)，Zn-Ni合金鍍層是陰極型鍍層，在研究了不同組成的Zn-Ni合金鍍層的穩(wěn)定電位后表明，含Ni量為13%左右時(shí)，Zn-Ni 鍍層為γ相的單相金屬間化合物，它具有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性.
經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)和使用證明，釹鐵硼磁體電鍍防護(hù)鍍層的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯：鍍層孔隙率大，鍍層不致密，有形狀依耐性，工件邊角處會(huì)因電鍍過(guò)程中電力線集中鍍層增厚，需要對(duì)磁體邊角做倒角處理，對(duì)深孔樣品無(wú)法施鍍；電鍍工藝對(duì)磁體基體有損傷作用，在一些較嚴(yán)酷的場(chǎng)合，電鍍鍍層長(zhǎng)時(shí)間使用后，會(huì)出現(xiàn)鍍層開(kāi)裂、剝離、易脫落等問(wèn)題，防護(hù)性能下降；隨我國(guó)環(huán)保意識(shí)的日益提高，用于電鍍?nèi)龔U處理的成本在磁體總成本中的比例急劇增長(zhǎng)。
化學(xué)鍍鎳技術(shù)是指在不加外加電流的情況下，鍍液中的金屬鹽和還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在工件表面的催化作用下，金屬離子還原沉積的過(guò)程。與電鍍相比，化學(xué)鍍工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要電源及輔助電極，鍍層厚度均勻，特別適合形狀復(fù)雜的工件、深孔件、管件內(nèi)壁等表面施鍍，鍍層的致密度和硬度較高?；瘜W(xué)鍍也存在一些缺點(diǎn)，鍍層厚度上不去，可鍍的品種不多，工藝要求相對(duì)較高，鍍液維護(hù)比較復(fù)雜。化學(xué)鍍鍍種主要有鍍鎳、鍍銅以及鍍銀等。目前化鍍學(xué)鎳磷合金在釹鐵硼磁體防護(hù)工藝中有一定的采用，且多作為電鍍鍍層的追加防護(hù)使用。由于化學(xué)鍍鎳過(guò)程中有大量的氫氣析出，對(duì)釹鐵硼磁體基體造成較大損傷，同時(shí)使得鍍膜具有較高的應(yīng)力，使用過(guò)程中鍍層易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皮等現(xiàn)象。
采用轉(zhuǎn)化膜如磷化、鈍化等技術(shù)在鋼鐵中很常見(jiàn)。在釹鐵硼磁體表面采用傳統(tǒng)的磷化也可以在表面形成一層致密的防護(hù)層。釹鐵硼磁體磷化后可增加運(yùn)輸過(guò)程的防護(hù)，同時(shí)提高粘膠的結(jié)合力。
有機(jī)涂層的種類很多，大多可采用噴涂、刷涂以及電泳等方法進(jìn)行涂覆加工。有機(jī)涂層成膜致密，對(duì)鹽霧、水蒸氣等有較好的阻隔作用。有機(jī)涂層可以與釹鐵硼磁體電鍍技術(shù)復(fù)合使用，達(dá)到進(jìn)一步提高磁體防護(hù)性能的要求。
釹鐵硼永磁體的應(yīng)用
釹鐵硼磁體可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、音圈馬達(dá)、磁共振成像儀、通訊、控制儀表、音響設(shè)備等方面。
目前，稀土永磁電機(jī)是釹鐵硼磁體最大的應(yīng)用領(lǐng)域，約占磁體總應(yīng)用量的70％，其種類繁多，形狀、性能各異。
計(jì)算機(jī)硬盤配套的音圈電機(jī)占40％~50％，所以目前計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)是永磁電機(jī)的最大用戶。
汽車工業(yè)是釹鐵硼永磁應(yīng)用增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。在每輛汽車中，一般可以有幾十個(gè)部位如引擎、制動(dòng)器、傳感器、儀表、音箱等會(huì)用到40～100顆NdFeB系及SmFeN系燒結(jié)磁體。
據(jù)悉，一輛全自動(dòng)高級(jí)轎車約需消耗稀土永磁材料0.5kg～3.5kg；新能源汽車上釹鐵硼材料的應(yīng)用量更多，每輛混合動(dòng)力車要比傳統(tǒng)汽車多消耗約5kg釹鐵硼，純電動(dòng)車采用稀土永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，多使用5～10kg釹鐵硼。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和電子技術(shù)要求的不斷提高，其對(duì)釹鐵硼永磁材料的需求量將越來(lái)越大。
