金釗 敖衛(wèi)東 張智軼 甘劍鋒
（重慶通信學(xué)院，400035）
摘要：稀土永磁材料在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。本文從稀土永磁材料特點出發(fā)，介紹了稀土永磁材料發(fā)的相關(guān)發(fā)展應(yīng)用，并進(jìn)行了釹鐵硼永磁體的粘結(jié)研究。
關(guān)鍵詞：稀土永磁；粘結(jié)
0 引言
稀土永磁材料作為一種重要的功能材料，已被廣泛應(yīng)用于能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、計算機(jī)、家電等領(lǐng)域，深入國民經(jīng)濟(jì)的方方面面，其產(chǎn)量與用量已成為衡量一個國家綜合國力與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
稀土永磁的出現(xiàn)是永磁材料領(lǐng)域中的一個巨大進(jìn)步，尤其是NdFeB稀土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。相信隨著稀土永磁材料應(yīng)用的擴(kuò)展，定會迎來一個稀土永磁高新技術(shù)應(yīng)用的新時代。
1 稀土永磁材料的概要介紹
稀土永磁材料是不同的稀土元素和過渡金屬（Fe，Co，Ni等）組成的金屬間化合物，是近二十年來得到迅速發(fā)展的一種新穎永磁材料。
稀土永磁材料發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已經(jīng)在許多領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)代新技術(shù)的重要物資基礎(chǔ)。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機(jī)。產(chǎn)品類型包括伺服電動機(jī)、驅(qū)動電動機(jī)、汽車啟動機(jī)、地面軍用電機(jī)、航空電機(jī)等，部分產(chǎn)品出口。
稀土永磁體不僅具有很高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，很高的磁能積，而且具有很高的矯頑力，這一點是當(dāng)今任何永磁材料所無法相比的。目前，采用燒結(jié)法制造的鈷基稀土永磁體的矯頑力可達(dá)800KA/m；鐵基燒結(jié)稀土永磁體的矯頑力可做到850kA/m。
綜上可見稀土永磁體具有如下優(yōu)點：
（1）高的磁特性：具有很高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度B，很高的磁能積（B.H）和很高的矯頑力（特別是高的內(nèi)稟矯頑力）。目前采用的燒結(jié)鈷基稀土永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度可大1.2T,接近鋁鎳鈷永磁體的最高水平,而其矯頑力則可做到800kA/m，約為鐵氧體永磁的三倍。
（2）直線退磁特性：它們的退磁曲線基本為直線，恢復(fù)線與退磁曲線相重合，可逆磁導(dǎo)率接近于1.0。
（3）耐溫高：燒結(jié)鈷基稀土永磁體的居里溫度可達(dá)850攝氏度，因此可適應(yīng)高溫環(huán)境工作，鈷基稀土永磁體的工作溫度可達(dá)300攝氏度。
（4）溫度穩(wěn)定性較好：鈷基稀土永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度可逆溫度系數(shù)可做到0.03%，其水平接近鋁鎳鈷永磁體。
2 十七種稀土元素
稀土被人們稱為新材料的“寶庫”，是各國科學(xué)家，尤其是材料專家最關(guān)注的一組元素。
根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會對稀土元素的定義，稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個鑭系元素，鑭系中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu，再加上與其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的鈧Sc、和釔Y，共計17個元素。除鈧與釔外，其余15個元素往往共生。
稀土元素的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，已擴(kuò)展到科學(xué)技術(shù)的各個方面，尤其現(xiàn)代一些新型功能性材料的研制和應(yīng)用，稀土元素已成為不可缺少的原料。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域目前發(fā)展有稀土農(nóng)學(xué)、稀土土壤學(xué)、稀土植物生理學(xué)、稀土衛(wèi)生毒理學(xué)和稀土微量分析學(xué)等學(xué)科。稀土在冶金工業(yè)中應(yīng)用量很大，約占稀土總用量的1/3。稀土可以用于石油裂化工業(yè)中的稀土分子篩裂化催化劑。
在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用，可以用作顯示器的發(fā)光材料、磁性材料、儲氫材料、激光材料、精密陶瓷、催化劑、高溫超導(dǎo)材料。
3 釹鐵硼NdFeB
釹鐵硼是具有高矯頑力和高磁能積的高性能的稀土材料，而且近年來對該材料的不斷完善，提高了使用溫度和降低了材料的成本。將釹鐵硼稀土永磁材料應(yīng)用于各種電機(jī)的開發(fā)上可以明顯的減輕電機(jī)的質(zhì)量，減小電機(jī)的外型尺寸，又可以獲得高效的節(jié)能效果和提高電機(jī)的性能，再結(jié)合電力電子新技術(shù)，使得稀土永磁材料在電機(jī)中的應(yīng)用可實現(xiàn)產(chǎn)品機(jī)電一體化，各種用途的新型稀土永磁電機(jī)將進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段。
稀土永磁電機(jī)是釹鐵硼磁體最大的應(yīng)用領(lǐng)域，約占磁體總量的70％，計算機(jī)硬盤配套的音圈電機(jī)(VCM)占40％-50％，所以計算機(jī)產(chǎn)業(yè)是永磁電機(jī)的最大用戶。
采用稀土永磁電機(jī)可以明顯減輕電機(jī)的重量，如10kW普通發(fā)電機(jī)，重量為220kg，而稀永磁發(fā)電機(jī)為92kg。稀土永磁電機(jī)高效節(jié)能，平均節(jié)電率高達(dá)10％，某些專用電機(jī)節(jié)電率高達(dá)15％-20％，性價比高。德國西門子研制的1095kW、230rpm六極永磁同步電動機(jī)，與過去使用的直流電動機(jī)相比，體積減少60％左右，總損耗降低20％。
由于釹鐵硼具有很高的性能價格比，因此成為制造高效能、體積小、重量輕的磁性功能器件的理想材料，有望對許多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。除了在計算機(jī)、打印機(jī)、移動電話、家用電器、醫(yī)療器等方面的廣泛應(yīng)用外，汽車中的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和音響系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，這將極大地帶動釹鐵硼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
將來一個國家或一個家庭使用釹鐵硼永磁的多少將標(biāo)志著現(xiàn)代化的水平。具體而言，應(yīng)用在以下一些方面：計算機(jī)和微電腦的音圈電機(jī)(VCM)與軟盤驅(qū)動器、汽車、BP機(jī)與手機(jī)、核磁共振成象、電動車輛、VCD與DVD主軸驅(qū)動、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、電動工具、空調(diào)機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、電梯驅(qū)動及各類新型節(jié)能電機(jī)；選礦機(jī)、除鐵設(shè)備，各類磁水器、磁化器；高性能微波管，魚雷電推進(jìn)，陀螺、激光制導(dǎo)，Alpha磁譜議等尖端裝置；磁傳動，磁吸盤，磁起重裝置等。在中國和東南亞還有一個很大的磁療市場，如背背佳英姿帶、磁飾、減脂肪運(yùn)動機(jī)、五行針等。其它還應(yīng)用于防霧尾燈、磁卡門鎖、禮品盒開關(guān)等等�？梢哉f，釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用已逐步滲透到各處領(lǐng)域。
4日美等國的相關(guān)發(fā)展?fàn)顩r和我國稀土永磁材料發(fā)展展望
4.1 日美等國的相關(guān)發(fā)展?fàn)顩r
目前，日本，美國在釹鐵硼主永磁方面的研究，生產(chǎn)，應(yīng)用上居世界領(lǐng)先地位，也是最主要的市場。
日本是粘結(jié)釹鐵硼磁體生產(chǎn)量最大的國家，下表列出了日本粘結(jié)釹鐵硼磁體的主要應(yīng)用領(lǐng)域（用%表示）。
從上表可以看出，粘結(jié)釹鐵硼最大的應(yīng)用領(lǐng)域是電機(jī)。美國曾規(guī)定，到2000年汽車平均耗油為40英里/加侖，就要求輕型化汽車本身，首先要采用輕而小的電機(jī)。日本汽車制造商瞄準(zhǔn)此市場，開發(fā)新的高磁能積各向異性釹鐵硼無刷電機(jī)。假如在汽車中粘結(jié)釹鐵硼磁體占50％，每輛汽車就需要102克，全球汽車產(chǎn)量5540萬輛，需要粘結(jié)各向異性釹鐵硼體約5650噸。以每公斤磁體價格為100美元計，這個新的市場就增加粘結(jié)釹鐵硼產(chǎn)值5億多美元。
4.2 我國稀土永磁材料發(fā)展及展望
永磁材料的發(fā)展先后經(jīng)歷了鐵氧體階段（磁能積4.6MGOe），AINiCo合金階段（磁能積11.5MGOe），SmCo階段（磁能積31.0MGOe），NdFeB階段（磁能積43MGOe）。鈦鐵硼稀土永磁材料的研制成功，使耳機(jī)、揚(yáng)聲器、步進(jìn)電機(jī)、無芯電機(jī)等實現(xiàn)了超小型化。
我國進(jìn)行稀土永磁的應(yīng)用研究和推廣工作較早并取得了較大的成績，在有些方面還具有我國的特色，如磁力耦合油泵的使用，解決了石油工業(yè)跑冒滴漏的老大難問題。磁醫(yī)療治療各種疾病及磁療首飾等的開發(fā)和應(yīng)用，也屬影響面較廣的稀土永磁應(yīng)用。
另一個稀土永磁重要的應(yīng)用領(lǐng)域是磁懸浮系統(tǒng)。磁懸浮軸承已成功地應(yīng)用在超高速旋轉(zhuǎn)裝置及電度表軸承上。此外應(yīng)當(dāng)指出的是一個巨大潛在應(yīng)用領(lǐng)域即磁懸浮列車運(yùn)輸系統(tǒng)。如果磁懸浮列車投入商業(yè)運(yùn)行，必將極大地推進(jìn)稀土永磁產(chǎn)業(yè)的更加高速的發(fā)展。這種項目只在幾個經(jīng)濟(jì)實力強(qiáng)、技術(shù)水平高的發(fā)達(dá)國家進(jìn)行。
我國對稀土永磁體的需求增長率持續(xù)在20%左右。 “十五”期間我國燒結(jié)NdFeB磁體總產(chǎn)量達(dá)到50000噸左右，銷售總額150億元。到2010年中國燒結(jié)NdFeB磁體產(chǎn)量將達(dá)到7萬噸，占全球75%，銷售額260億元。在未來10內(nèi)，我國將成為世界稀土永磁材料的制造中心。
5 釹鐵硼永磁體的粘結(jié)研究
隨著現(xiàn)代電機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是近代稀土永磁工業(yè)的興起為我們的設(shè)計提供了廣闊的前景，可以不再拘泥于電勵磁的勵磁方式，采用稀土永磁材料作為勵磁功率源。
根據(jù)稀土永磁電機(jī)設(shè)計要求，進(jìn)行了磁鋼與轉(zhuǎn)子鋼箍的粘結(jié)實驗，在滿足整機(jī)性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，使電機(jī)磁性能達(dá)到設(shè)計要求，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。
實驗方法及步驟如下：
5.1 按要求配量
按照設(shè)計要求，實驗操作程序，完成幾種固定配比的粘結(jié)劑的調(diào)試定型工作。
5.2 預(yù)估方案
首先，在轉(zhuǎn)子鋼箍的基礎(chǔ)上進(jìn)行沒有兌入磁粉的粘結(jié)性能及磁性能的測試。具體操作步驟如下：
（1）粘結(jié)體表面的除塵去污工作，用刮刀打磨去除金屬面的污漬及金屬氧化物，以保證金屬表面達(dá)到良好的密合性能，保證金屬元件在粘結(jié)完成后獲得良好的機(jī)械性能。將準(zhǔn)備好的粘膠按要求調(diào)為可用的粘結(jié)劑，而后靜置大約一分鐘，使粘結(jié)劑的粘結(jié)效果達(dá)到最佳狀態(tài)。
（2）將處理好的金屬機(jī)件按粘結(jié)順序放置好，用軟毛刷蘸取適量的可用粘結(jié)劑，均勻的涂抹在機(jī)件的粘結(jié)面上。涂抹時要保證用量適當(dāng)，涂抹均勻。用量過少，粘結(jié)疏松，機(jī)械性能較差，容易造成轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時機(jī)件損壞；用量過多，粘結(jié)劑四溢，會使粘結(jié)面粘有太多污垢，影響性能測試和最終的設(shè)計定型；涂抹不均，會使機(jī)件表面形成薄厚不均的空氣間隙，增大磁路在空氣中的損耗，很大程度上影響磁性能的良好發(fā)揮，降低電機(jī)的使用效能。
（3）在完成粘結(jié)后，在對粘結(jié)好的機(jī)件進(jìn)行加固加壓操作，盡量減小機(jī)件間的空氣間隙，提高密合程度，降低磁能損耗，以保證機(jī)件良好的性能發(fā)揮；同時也可進(jìn)一步使機(jī)件粘結(jié)緊密，提高機(jī)件的機(jī)械性能。
（4）完成以上操作后，保持機(jī)件粘結(jié)狀態(tài)靜置24小時，使粘結(jié)劑的粘結(jié)效能達(dá)到最高，機(jī)件充分粘合，連結(jié)緊密。
（5）而后，使用專用測試儀器高斯儀，測試粘結(jié)后磁鋼表面不同位置的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，以檢測粘結(jié)劑配比是否恰當(dāng)，涂抹是否均勻，機(jī)件整體的磁性能達(dá)到了多高的標(biāo)準(zhǔn)，是否符合要求；再對其結(jié)構(gòu)性能、粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測試，保證磁鋼在轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速下的粘結(jié)性能，使磁鋼不會在離心作用下脫落等。
其次，按磁粉和已調(diào)好的粘結(jié)劑的不同比例兌入磁粉，形成混合試劑。再用調(diào)好的混合試劑粘結(jié)磁鋼與轉(zhuǎn)子鋼箍。實驗過程與要求同上。選用同一磁鋼進(jìn)行反復(fù)實驗，每粘一次，就測一次數(shù)據(jù)，而后再將該磁鋼拆除后，進(jìn)行仔細(xì)清潔，在相同位置，用不同比例的粘結(jié)劑再進(jìn)行相同實驗。待實驗結(jié)束后，再按照不同的情況讀取、記錄和保存數(shù)據(jù)。從而保證實驗數(shù)據(jù)的精確性、可操作性和可靠性。
5.3 檢查效果，確認(rèn)并驗證最佳方案
按照要求，我們確立以實現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)性能和良好的磁性能為目標(biāo)。因此，在實驗效果檢查中，粘結(jié)的可靠性和磁性能就成為重點檢查項目。
檢查粘結(jié)性能時，進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度試驗，只有磁鋼與轉(zhuǎn)子鋼箍的間隙沒有明顯的變化才可達(dá)到所需的粘結(jié)強(qiáng)度，表明粘結(jié)件在結(jié)構(gòu)性能上達(dá)到設(shè)計要求。
檢查磁性能時，首先清除磁鋼表面的污漬，而后使用專用數(shù)據(jù)測試儀器分別在磁鋼的兩端和中間進(jìn)行測試，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并做記錄。將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后，確認(rèn)一種最接近實驗要求的數(shù)據(jù)，按其實驗時的方案，小幅度調(diào)整數(shù)據(jù)配比后，再反復(fù)進(jìn)行操作實驗，以找到最佳的實驗方案，獲得最優(yōu)的實驗數(shù)據(jù)。
實驗數(shù)據(jù)如下：
（1）單塊磁鋼的技術(shù)參數(shù)：
（2）加導(dǎo)磁環(huán)后的技術(shù)參數(shù)：
（3）在有導(dǎo)磁環(huán)的情況下，實驗的相關(guān)技術(shù)參數(shù)根據(jù)實驗進(jìn)程和實驗預(yù)定方案記錄如下：
磁粉與膠為1比1：
磁粉與膠為1比2:
磁粉與膠為1比3:
磁粉與膠為1比5:
根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，當(dāng)兌入磁粉較多時系統(tǒng)磁性能較強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降明顯；反之，當(dāng)粘結(jié)劑使用較多時能夠保證得到較高的結(jié)構(gòu)性能，但系統(tǒng)無法得到比較理想的磁性能水平。當(dāng)兌入的磁粉最多時，即磁粉與膠的比例對比達(dá)到1比1時，系統(tǒng)磁性能達(dá)到最高，但此時我們所做的強(qiáng)度實驗顯示，機(jī)械強(qiáng)度明顯下降；只有合理選擇磁粉與膠比例，我們才能夠既獲得高磁性能又有可靠的機(jī)械強(qiáng)度，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最佳水平。
6 結(jié)語
稀土永磁材料在能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、計算機(jī)、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大力開發(fā)新型稀土永磁材料有利于將我國資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，能帶動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及相關(guān)行業(yè)的迅猛發(fā)展，給國民經(jīng)濟(jì)帶來新的增長點，是市場前景好、應(yīng)用潛力大的朝陽產(chǎn)業(yè)。
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