钕磁向铁磁挑战

发布时间：86年10月26日

Ben H. Carlisle 编译徐福生

稀土元素钕制的永磁体磁性很强但价格太贵，难以推广使用。不过，新型制造工艺可能会使这种磁体价格与普通铁磁不相上下。

—种制造钕磁体的新型工艺将使电动机与电动执行机构发生天翻地覆的变化，这些电机与执行机构用在机床、机器人、办公机械、汽车电源附件和其他各种电力设备中。用这种新方法制得的产品可能是磁力最强的磁体，其磁场强度达4千万奥斯特以上，这一数值远远超过钐钴磁体的磁场强度值。

这种新工艺制出的钕磁体，还满可以在市场上同价格最低、应用最广的铁磁一比高低。有迹象表明，此类新型磁体中，有一种的价格仅略高于相应的铁磁，但磁场强度要高30 ~ 60%。

新型磁体由通用汽车公司的Delco Remy分公司研制成功。该公司正在一座占地面积为20，000平方英尺^①的实验工厂小批量地制造这种磁体，该厂每年大约能生产一百万块小磁体。他们还正在印第安纳州的安德森建造一座占地面积为160，000平方英尺^②的工厂。工厂将于1986年秋开始出产品，计划于1987年初全部竣工投产。

新厂将作为独立于Delco Remy公司之外的一个业务实体开展活动，主要是充任原设备制造厂与供货商，如同Delco的蓄电池厂，起动器厂和发电机厂一样。不管怎么说，通用汽车公司看来将是这种新型磁体的最大用户。（一种嵌有这种新型磁体的起动机/旋转曲柄马达很快将在通用汽车公司的汽车厂生产。）

回顾历史

Delco Remy公司并非是第一个制造钕磁体的厂家。在美国、日本与西欧，目前有不少厂家能提供这种产品。

钕磁体的材料是一种钕、硼、铁的合金，70年代，由一个研究小组在通用汽车公司研究实验室发现、钕磁体价格一般都高于钐钴磁体，因为其中含钕量高，加工费也贵。钕矿贮量丰富，其贮量比铅还要大，大约与锡差不多。但人们对钕的需求量很小，所以只有少量钕矿得以精炼。

这种在美国和其他地区贮量都很丰富的矿藏被广泛地开采并提炼来用作石油裂解的催化剂、混合稀土（金属工业中的一种生产合金用试剂）、打火机用的火石、玻璃工业与陶瓷工业用的各种试剂。但是，由于人们几乎不需要纯净的钕，所以即使在精炼品中它也仍然同其他元素化合在一块。如果确实需要的话，是可以廉价地精炼大量钕的。不过，加工费用占磁体成本的75%以上，磁体一般用一种叫定向加压烧结（OPS）的粉末金属技术制造。制造时，铰、铁、钴合金晶体在球磨机内破碎成粒径5微米的亚晶粉末，这是工艺的要求。然后，用这种粉末合金制造磁体。这些微粒在磁场中顺序排列起来，再烧结固化。

这种工艺的缺点是，微粒容易氧化，从而增大了这种材料的加工难度和加工费用，同时还有着火的危险，由于磁体在烧结时变形，而成品又格外坚硬，所以通常得用加工费高昂的磨削法作为最终工序，以获得所需尺寸。用这种工艺制得的磁体一般是各向异性的，因此只能在某一轴线方向获得最佳磁化特性。结构上各向同性的材料很容易磁化，但对于某些形状的磁体而，工作特性不太好。

新型技术

新工艺利用一种叫磁急冷（Magncquench）的快速固化技术，将晶状钕合金转变为超微晶体结构。在此，熔融合金浇到一只名叫喷射注模的不停旋转且温度较低的轮子外缘上。此法可使合金以每秒一百万摄氏度的速率急剧降温。这种工艺产生一根又窄又薄的钕 - 铁 - 钴合金条。

把合金条破碎成直径200微米的细粒。碎粒粒径较大，所以不易飞扬，从而可装盛在开口容器中。磁体就是用这些细粒合金通过各种技术制得的。

铁磁敌手

在一种名叫MQⅠ（磁急冷1号）的工艺中，细碎的合金条材先退火，再用环氧树脂调和。然后将调和物装入铸模加压成型为磁体，并在炉内烘烤。

此种工艺可制取尺寸小于0.005英寸^③的外形简单的磁体，在某些情况下，磁体尺寸还可做到0.003英寸^④以下。磁体外表面光滑平整，勿需再进行终加工。不过，若有必要，这种磁体也能用常规方法进行机加工（即一般用不着磨削），因为这种材料已达极限值的90%（0.217磅/英寸^2⑤），所以比较软（洛氏硬度值为36B—38B）。

MQⅠ材料中的晶体为各向异性。因此，要使这种材料的磁饱和度达99%的话，需要相当大的磁化力（约为3万奥斯特）。按常规要求，这种磁体可沿任何轴向磁化。

各向异性结构使产品的最大磁场强度局限在700 ~ 900万奥斯特的范围内。不过，这一数值已大大超过了铁磁场强的典型值——340万奥斯特，同铁磁一样，它的电阻率很高（18 kΩ-cm），这种特性使涡流损耗不致过大。

MQⅠ型材料具有线性磁化特性。22℃时，剩磁与矫顽力通常为6100高斯和5300奥斯特。固有矫顽力为15，000奥斯特，反冲磁导率（recoil permeability）为1.15高斯/奥斯特。全部数值均明显地高于铁磁。

温度高达125℃时，温度系数为-0.192%/℃。温度低于125℃时，因运行而引起的磁耗随着磁体温度降低而得到恢复，但温度高于125℃时就出现不可恢复的永久性磁耗了。125℃这一极限是由于材料密度小所致。可是根据Delco公司的研究，125℃这一极限值同电动机和起动器中所见的典型磁体最高温度100℃相比，则要高一些（研究结果还表明，电动机设计人员往往不清楚电动机运行时磁体温度的准确数值）。

Delco公司认为，MQⅠ磁体将特别适合于用来设计电动机与电动执行机构。这种磁体的磁通密度大于铁磁，但仍小到足以避免采用非常规的设计技术。

对于某些电动机和电动执行机构，只需要用新型磁体取代旧磁体就会使性能得到改进。在另一些场合下，采用新型磁体将能使组件体积更小，重量更轻。

Delco公司并不指望MQⅠ型磁体的成本降到铁磁的水平。但该公司预言，采用新型磁体的电动机与电动执行机构的成本一般都比采用性能相当的铁磁的同类产品要低。

逐步升级

在一种名叫MQⅡ（磁急冷2号）的改进型制造工艺中，破碎的合金条直接用热压法压成磁体。这样压出的磁体外表面除铸模浇口处外一般都很光滑，浇口通常可以用柔软的皮革轻轻地擦掉。需要进行机加工的部件，加工难度略大于MQⅠ，因为它的硬度约为洛氏硬度60℃。

这些磁体均为各向异性，所以要使之磁化饱和度达99%，大约需3万奥斯特。但它们的极限值已达100%（0.271磅/英寸^2⑥），故磁场强度最大值为1300 ~ 1500万奥斯特，最高工作温度为150℃，双向温度系数为-0.157%/℃。

标准去磁特性是线性的，22℃时，剩磁与矫顽力数值为7900高斯和6500奥斯特。固有矫顽力为15，000奥斯特，反冲磁导率为1.15。

争创名牌

Deleo公司还打算采用快速固化工艺来制造各向同性磁体。直到1985年底，已列入计划的磁体仍在研制中，但试样极有可能在1986年初交付使用。这种磁体叫MQⅢ（磁急冷3号），系先用MQⅡ工艺生产磁体，再使之产生塑性形变而得。形变使材质中的晶状结构物在形变加压方向上排列成行。

有迹象表明，各向同性磁体的早期产品磁场强度大约为3200万奥斯特。但后期的MQⅢ磁体产品最大磁场强度往往会超过4千万奥斯特，并有可能逼近理论最大值6千400万奥斯特。

22℃时，MQⅢ的标准剩磁与矫顽力分别为11，760高斯和10，500奥斯特。所需磁化力为25，000奥斯特，大大低于各向异性磁体。在磁导率大于5的条件下工作时，最高工作温度为150℃。最高工作温度随磁导率的下降而降低，磁导率为1时，其值降为100℃。

100℃这一温度极限值是利用去磁特性曲线的膝点求得的。（在膝点以下工作时将引起永久性磁耗）。这一极限值对于电动机之类的应用来说往往并不重要，在磁导率高时，电动机中的小气隙会对运行产生举足轻重的影响。