2022年磁性材料制備工藝與設(shè)備行業(yè)分析

1、2022年磁性材料制備工藝與設(shè)備行業(yè)分析1. 軟磁材料制備工藝工藝的進(jìn)步是為了使磁性材料達(dá)到更好的磁性能，磁性能的優(yōu)劣不僅取決于材料本身的特 性，也很大程度上取決于生產(chǎn)流程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)精進(jìn)程度。對(duì)于軟磁材料而言，應(yīng) 具有四高四低的基本特點(diǎn)：高磁導(dǎo)率、高飽和磁感強(qiáng)度、高電阻率、高頻率穩(wěn)定性；低矯 頑力、低損耗、低磁致伸縮系數(shù)、低磁晶各向異性。硅鋼片的生產(chǎn)工藝硅鋼片生產(chǎn)工藝較為簡單，且成本較低。為符合實(shí)用條件，在硅鋼片的生產(chǎn)過程中，常選 用某一方向?yàn)橐状呕较?，再通過對(duì)變形再結(jié)晶組織軋板，使其產(chǎn)生板織構(gòu)，織構(gòu)中的磁 疇定向排列。以熱軋硅鋼為例，在制作中首先將硅鐵熔融后進(jìn)行澆鑄、熱軋，達(dá)到 0

2、.20.35mm 厚度，再通過一、二次退火使加工組織再結(jié)晶。冷卻干燥后刷上涂層，即可 得到成品。當(dāng)前，高效電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步要求硅鋼片越來越薄。在電機(jī)中，定子所用的硅鋼片涂上絕緣 涂層后粘在一起，更薄的硅鋼片意味著更低的渦流損耗。2017 年，中國寶武、首鋼相繼 批量開發(fā)出 0.18mm 薄規(guī)格取向硅鋼，但 0.1mm 以下的高性能超薄取向硅鋼仍被日本壟 斷，一些民企的產(chǎn)品質(zhì)量與穩(wěn)定性仍與進(jìn)口產(chǎn)品存在較大差距。我國目前超薄硅鋼材料被“卡脖子”的主要原因包括：高品質(zhì)無底層硅鋼母材制備難度大、 晶粒生長控制難度大、絕緣涂層附著力與溫度穩(wěn)定性低、冷軋退火涂覆等機(jī)組裝備水平較 低等。圖：熱軋硅鋼片生產(chǎn)流程

3、合金軟磁粉芯生產(chǎn)工藝合金軟磁粉芯的制備流程大致可分為制粉、包覆、壓制、熱處理四個(gè)階段，每一個(gè)階段的 技術(shù)水平都對(duì)粉芯制成品的性能有較大影響：（1） 制粉環(huán)節(jié)：磁粉性能的優(yōu)劣與合金成分、晶粒結(jié)構(gòu)、粒徑大小、顆粒形貌等密切 相關(guān)。例如合金成分的配比可改變磁性能與加工性能，霧化法比球磨法制得的粉 球形度更好，有更好的絕緣包覆效果、渦流損耗更小等。（2） 絕緣包覆環(huán)節(jié)：常用方法分為濕法包覆與干法包覆（以云母、石蠟等進(jìn)行包覆）， 濕法包覆又分有機(jī)包覆（有機(jī)溶劑進(jìn)行包覆）與無機(jī)包覆（使用磷酸、硝酸進(jìn)行 鈍化）。無機(jī)包覆的退火溫度比有機(jī)包覆高，可更好釋放粉芯內(nèi)部應(yīng)力，提高磁導(dǎo) 率、降低磁滯損耗。（3） 壓制

4、成型環(huán)節(jié)：將磁粉、黏結(jié)劑與脫模劑放入模具中壓制成型的過程，其中，對(duì) 壓力的控制尤為關(guān)鍵。壓力大可以使分布式氣隙占比小，增大磁導(dǎo)率；但壓力過 大，又容易使粉體表面絕緣層破裂，增大渦流損耗。研究表明熱壓成型是綜合效 果較好的壓制方法。（4） 熱處理環(huán)節(jié)：退火處理的目的是消除內(nèi)應(yīng)力與缺陷，修復(fù)晶格缺陷，有利于提升 磁粉芯的磁導(dǎo)率。其技術(shù)難點(diǎn)主要在于熱處理溫度、保護(hù)時(shí)間、保護(hù)氣氛、升溫 速率、冷卻方式等。以鉑科新材生產(chǎn)合金軟磁粉芯的工藝流程為例，公司采購鐵、硅、鋁等原材料后，利用霧 化系統(tǒng)、壓機(jī)、噴涂機(jī)等機(jī)器設(shè)備，完成氣霧化原料粉生產(chǎn)、過篩、絕緣包覆、混粉等工 序，制成合金軟磁粉。之后，在已經(jīng)制成的合

5、金軟磁粉的基礎(chǔ)上，完成壓制、退火、檢測(cè)、 浸潤、噴涂等工序，最終制成合金軟磁粉芯。非晶合金薄帶制作方法非晶態(tài)材料處于結(jié)晶化前的中間狀態(tài)，可用氣相急冷法、液相急冷法、缺陷導(dǎo)入法、擴(kuò)散 反應(yīng)法制取。從原理上說，只要將轉(zhuǎn)變過程中某些非平衡狀態(tài)“凍結(jié)”下來，就可能得到 非晶態(tài)。常用的有三種方法：1）薄膜離心急冷法：也稱為“潑冷法”，原理為利用高速氣流沖擊一小滴熔融金屬，使之 在高速旋轉(zhuǎn)的冷銅盤表面上凝固成薄膜；2）單輥急冷法：使合金熔體噴射到一個(gè)快速轉(zhuǎn)動(dòng)的冷卻銅輥表面，形成薄而連續(xù)的非晶 合金條帶；3）雙輥薄帶澆鑄法：該方法結(jié)合澆鑄與熱軋于一道工序，能夠一步連續(xù)生產(chǎn)平板軋材， 在生產(chǎn)成本上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)

6、生產(chǎn)方法。以云路股份為例，其工藝將處于熔融狀態(tài)的高溫合金熔液噴射到高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶器上，熔 液以每秒 106的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時(shí)間將約 1600的熔液降到 200以 下，形成非晶合金薄帶。非晶合金薄帶生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)決定了其產(chǎn)品質(zhì)量控制需要在極短 的時(shí)間內(nèi)完成，因此對(duì)生產(chǎn)設(shè)備精度要求高，且控制難度大。納米晶超薄帶制備流程納米晶超薄帶的前端生產(chǎn)工藝與非晶合金薄帶基本一致，主要包括熔煉、保溫、制帶、卷 取、剪切、退火和包裝等環(huán)節(jié)，在形成帶材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步經(jīng)過適當(dāng)退火，形成具有納米 級(jí)微晶體和非晶混合組織結(jié)構(gòu)的材料。納米晶帶材的核心產(chǎn)品指標(biāo)包括帶材寬度和厚度：帶材寬度直接決定了材料的利用率

7、和加 工效率，寬度越寬則帶材的利用率越高，對(duì)于帶材生產(chǎn)工藝的要求也相應(yīng)較高；帶材厚度 直接影響材料的磁導(dǎo)率，在其他條件相同的情況下，納米晶帶材的厚度越薄，其材料在高 頻條件下磁導(dǎo)率越高、損耗越低。2. 永磁材料制造工藝按制造方法的不同，釹鐵硼永磁體分為兩大類：燒結(jié)永磁體和超急冷永磁體。前者多為塊 體狀，主要滿足高矯頑力、高磁積能的要求；后者用作黏結(jié)永磁體，主要用于電子、電氣 設(shè)備的小型化應(yīng)用領(lǐng)域。從永磁體未來的發(fā)展來看，要達(dá)到高性能永磁體條件有三：1）飽和磁化強(qiáng)度盡可能大；2） 矯頑力大；3）高溫穩(wěn)定性好。釹鐵硼永磁體的制作工藝燒結(jié)釹永磁體通過粉末在磁場中成型，經(jīng)液相燒結(jié)制作。該工藝首先將原料

8、進(jìn)行真空冶煉， 使溶液流在單輥上，經(jīng)急冷制成 Nd-Fe-B 的合金。使其吸氫破碎，進(jìn)一步機(jī)械粉碎制成單 磁疇粉末（大小為 3 微米）。在磁場中使這種粉末在一定取向的同時(shí)價(jià)壓成型，接著高溫 燒結(jié)并進(jìn)行時(shí)效處理。燒結(jié)時(shí)，熔點(diǎn)低的富 Nd 相熔融，作為粘結(jié)劑將晶體取向一致的晶 粒強(qiáng)固地結(jié)合在一起。再將其研磨，進(jìn)行表面處理。在這種狀態(tài)下并不具有磁力，如果通 過大電流線圈進(jìn)行充磁，則成為永磁體。圖：燒結(jié)釹鐵硼永磁體制造工藝黏結(jié)永磁體是使磁性粉末與橡膠或塑料等黏結(jié)材料相混合，成型為所要求的制品。與燒結(jié) 永磁相比，黏結(jié)永磁可以一次成型無需二次加工，且可以加工為形狀非常復(fù)雜的磁體。該 方法使用的磁性粉末多為

9、磁學(xué)性能優(yōu)良的鍶鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼、釤鐵氮等稀土永磁， 制備出來的永磁體可彎曲甚至折疊，克服了永磁體一般硬而脆，且加工困難的問題。當(dāng)然， 由于黏結(jié)永磁體中加入了大量的黏結(jié)材料，磁積能不會(huì)很高，磁力強(qiáng)度也比不上燒結(jié)永磁 體。黏結(jié)永磁體因?yàn)槠浼庸ば?、耐震?dòng)性、耐沖擊性優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)沖擊大的車 輛用馬達(dá)、電冰箱中的密封條、廣告牌用的壓鈕等。目前，高磁積能的黏結(jié)永磁體也正在 迅猛發(fā)展，逐漸替換傳統(tǒng)型的燒結(jié)永磁。不論是燒結(jié)永磁體還是黏結(jié)永磁體，制粉都是及其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。磁粉的最終性能與粉末的 微觀組織形貌、晶粒大小、晶粒完整性、雜質(zhì)含量、氧含量密切相關(guān)；從磁體成型來看， 磁粉的形狀、粒度和粒度分

10、布、松裝密度、壓坯密度、理論密度、流動(dòng)性、取向度、磁性 能等也會(huì)影響到磁體的性能。而這兩方面的參數(shù)都由制粉的方法來決定。例如，釹鐵硼燒結(jié)永磁要求磁粉是取向良好的單疇粉末，即粉末粒度小、分布窄、呈單晶 體、具有良好的球形度、顆粒表面缺陷較少、吸附氣體量和雜質(zhì)盡可能少。黏結(jié)磁體要求 粉末具有良好的穩(wěn)定性、表面完整、具有高的剩磁、良好的流動(dòng)性與恰當(dāng)?shù)姆勰┡浔纫垣@ 得高的粉末/黏結(jié)劑充填率，對(duì)于各向異性磁粉要求具有良好的取向性。釹鐵硼制粉方法較多，主要有熔體快淬法（MQ）、氣噴霧法（GM）、機(jī)械合金化法（MA） 和氫處理法（HDDR），其中以 MQ 和 HDDR 應(yīng)用最為廣泛。超急冷處理下的釹鐵硼晶粒

11、平 均粒徑為 50nm，燒結(jié)法處理下的晶粒平均粒徑約 10 微米，HDDR 處理下的晶粒平均粒徑 約為 300nm。如前所述，從永磁體未來的發(fā)展來看，要達(dá)到高性能永磁體條件有三：1）飽和磁化強(qiáng)度 盡可能大；2）矯頑力大；3）高溫穩(wěn)定性好。從當(dāng)前的研究方向來看，對(duì)應(yīng)溫度相關(guān)性問 題，有添加鏑（Dy）來實(shí)現(xiàn)溫度特性穩(wěn)定的高矯頑力；有通過技改實(shí)現(xiàn)晶粒直徑和元素分 布優(yōu)化以提高矯頑力的路徑；有通過籍由界面納米結(jié)構(gòu)控制提高矯頑力的技術(shù)路線等。但 是添加稀土元素又增加了成本，因此，降本增效成為了稀土永磁行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展目標(biāo)， 晶界擴(kuò)散技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。晶界擴(kuò)散技術(shù)是 21 世紀(jì)釹鐵硼甚至整個(gè)永磁行業(yè)的一個(gè)重

12、大的技術(shù)革新。它在實(shí)現(xiàn)高矯 頑力、高磁能積的同時(shí)，能制造出少重稀土甚至無重稀土的高性價(jià)比磁體。在實(shí)際工業(yè)生 產(chǎn)中，使用晶界擴(kuò)散工藝可降低重稀土消耗 50%以上。隨著新能源汽車、大型風(fēng)電系統(tǒng)和 5G 基站在未來的大量采用，低成本、高矯頑力釹鐵硼磁體的需求將持續(xù)增長。這對(duì)晶界擴(kuò) 散技術(shù)提出了更高的要求。通過晶界擴(kuò)散，有效提高厚磁體( 10 mm)的矯頑力是今后需 要攻克的難題。晶界擴(kuò)散的概念是針對(duì)薄型磁體提出的，擴(kuò)散劑在沿著晶界擴(kuò)散的過程中，擴(kuò)散效果會(huì)隨 著磁體厚度增加而下降。目前工業(yè)上使用的晶界擴(kuò)散劑主要是含有重稀土的單質(zhì)、合金或 化合物，其中化合物主要包含氧化物、氟化物和氫化物，采用表面涂敷的

13、方式。但是，不 同擴(kuò)散劑的擴(kuò)散速率有明顯差異，如圖所示。在許多情況下，通過表面擴(kuò)散的方式，重稀 土元素傾向于在磁體表面聚集，從而在?2?14?相周圍形成厚度為 12?的富重稀土的 殼層。但研究表明，20 nm 厚的富重稀土的殼層已經(jīng)能起到足夠的矯頑力提升效果，形成 過厚的殼層會(huì)導(dǎo)致重稀土的不必要消耗。另一方面，重稀土在沿磁體厚度方向的擴(kuò)散深度 有限會(huì)導(dǎo)致厚磁體的矯頑力增幅不足。目前的工業(yè)生產(chǎn)中，大部分進(jìn)行晶界擴(kuò)散處理的磁 體厚度都小于 4 mm，很少超過 8 mm。然而，考慮到電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的使用安全，在高 于 125應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)該優(yōu)先采用厚磁體(10 mm)。因此，業(yè)內(nèi)亟需找到針對(duì)厚磁體的 晶界擴(kuò)散方法。針對(duì)厚磁體的晶界擴(kuò)散技術(shù)可以從以下幾方面考慮：1）提高擴(kuò)散劑的擴(kuò)散效率；2）利用 原位晶界擴(kuò)散技術(shù)；3）多層晶界擴(kuò)散技術(shù)。除此之外，還應(yīng)考慮進(jìn)一步降低擴(kuò)散劑的材 料成本、利用晶界擴(kuò)散中的各向異性行為等技術(shù)進(jìn)步路徑。 此外，傳統(tǒng)的晶界擴(kuò)散需要在磁體致密化成型以后，因?yàn)闊Y(jié)磁體存在多相結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁 體耐腐蝕性差，因此需要額外添加擴(kuò)散物涂敷和擴(kuò)散熱處理工藝，工藝流程變