钕铁硼永磁合金(Nd-Fe-B permanent magnetic alloy)

以Nd₂Fe_l4B化合物为基相(简称2-14-1相)的稀土永磁合金。Nd₂Fe_l4B化合物属四方晶系，晶体结构如图所示，空间群为P42／mnm，稀土钕原子占据f和g晶位，硼占据g晶位，铁占据c，e，j₁，j₂，k₁和k₂六种晶位。它具有很高的饱和磁化强度，其μ₀M_s=1．61T，理论上的最大磁能积[(BH)_m]_理论=516kJ／m³；又有很大的磁晶各向异性场，H_A≥5840kA／m，这是高矫顽力的主要来源，它的居里温度T_c=312℃。因此，它具有十分优异的永磁特性。在钕铁硼永磁合金中，Nd₂Fe_l4B相占总体积的90％以上，其他是富钕相、富硼相以及金属钕的氧化物如Nd₂O₃等。钕铁硼永磁合金也被称之为第三代稀土永磁合金。

简史 1983年日本的佐川真人等首先用粉末冶金工艺制成了钕铁硼合金磁体，称烧结磁体，磁性能达到B_r=1．25T，H_cB=796kA／m，H_cJ=875．6kA／m，(BH)_max=288．6kJ／m³，创造了永磁性能的最高记录。1984年美国通用汽车公司(GM)用熔体旋淬(简称为快淬)和热变形工艺也制造出了高性能钕铁硼合金磁体、称快淬磁体，磁性能为B_r=1．35T，H_cJ=875．6kA／m，(BH)_max=318．4kJ／m。。于是诞生了第三代稀土永磁合金。由于钕铁硼合金是第一种不含贵重元素钐和钴(或含少量的钴)的高性能实用性永磁合金，它的永磁性能比钐钴合金高。又因为钕在自然界的丰度是钐的10倍以上，铁很便宜，资源极为丰富，因此它的成本很低。此外，它的机械特性也比钐钴合金好。这种合金一经问世就非常引人注目，日本、美国，中国及欧洲等国都大力投资建厂扩大生产，许多科研工作者投入力量进行研究与开发，其发展速度十分惊人。到1992年世界范围的钕铁硼合金产量已是钐钴合金的3倍多，批量生产的磁性能已提高到，(BH)_max=380kJ／m³；实验室的最高水平达到，(BH)_max=431．4kJ／m³，磁体的最大矫顽力H_cJ=2320kA／m。钕铁硼合金的弱点是：(1)居里温度低。普通的钕铁硼合金T_c=312℃；可逆温度系数α_Br≈-0．13％／℃，β_HCJ≈-0．60％／℃，因此温度稳定性较差，只能在80℃以内使用。(2)钕铁硼合金极易氧化和被环境腐蚀。为了改善这些情况，许多人进行了大量研究，如在合金中加入少量的钴以取代部分的铁来提高居里温度，加入少量的镝置换部分的钕以提高内禀矫顽力H_cJ并降低可逆温度系数和提高使用温度；此外加入少量的铝、镓、铌、钼和钨等元素以提高综合性能。由此开发出一系列牌号的钕铁硼永磁合金。合金的最高居里温度T_c≈500℃；最高使用温度可达到≈200℃。关于钕铁硼合金表面易受氧化和被环境腐蚀的问题，这是合金的内部结构所决定的，尚无有效办法从根本上解决，只能采用在磁体表面镀以锌、镍或涂覆有机树脂等薄膜保护层来解决，当然也就增加了磁体的成本。

中国的钕铁硼永磁合金研制和开发工作基本上与世界同步，实验室的研究水平也与世界最高水平接近。虽然工业生产的规模和设施的先进性略差一些，但生产的厂家较多，产量增长很快。1995年中国的钕铁硼永磁合金的产量已和日本接近，居世界第一位。1992年中国还颁布了钕铁硼永磁合金生产技术的国家标准(GB／T13560-92)，1999年4月又对该标准进行了修订(GB／T13560-1999)。

结构 钕铁硼合金的微结构主要由三个相组成。主相是Nd₂Fe_l4B，它是永磁性能的主要来源，晶粒呈多边形，一般占总体积的90％以上；其他是富钕相和富硼相等。在烧结型磁体中，富硼相以孤立的块状或颗粒状存在，富钕相沿着晶界或晶界交隅处呈薄层状把主相晶粒包围住。另外，在交隅处还有些氧化物(如Nd₂O₃)，α-Fe和空洞等存在。烧结型磁体的磁硬化被认为是由反磁化畴的形核决定的。在快淬型磁体中，存在的相虽然与烧结的相同，但晶粒微细，约为10～100nm，不存在氧化物和空洞等。一般认为快淬磁体的磁硬化起源于晶界对畴壁的钉扎。

分类 钕铁硼永磁合金的品种很多，根据产品的制造工艺可分为烧结型钕铁硼磁体，快淬型和粘结型钕铁硼磁体(见粘结稀土永磁合金)。在烧结型磁体中又分高磁能积型，高矫顽力型(H_cJ≥1350kA／m)，超高矫顽力型(H_cJ≥1600kA／m)及特高矫顽力型(H_cJ≥1990kA／m)4种。在快淬型磁体中又分各向同性快淬粘结磁体，各向同性热压磁体及各向异性热变形磁体。各种快淬型和烧结型磁体的永磁性能列于表1和表2中。

生产工艺 钕铁硼永磁合金的生产工艺主要有粉末冶金工艺、熔体快淬工艺，氢化(HDDR)工艺和粘结工艺(见粘结稀土永磁合金)。(1)粉末冶金工艺。这是应用最普遍的一种，主要生产烧结磁体。其工艺过程为：合金在真空感应炉中熔炼后浇注成锭，然后破碎成5mm以下的碎块，经过在保护介质中研磨(如采用气流磨或振动球磨等)制成3～5μm的细粉，随后在1．0～1．5T的磁场下压结成坯，最后在烧结炉中于氩气保护下进行烧结和热处理。烧结温度在1100℃左右，保温1h，然后在氩气中淬火冷至室温，再升至900～600℃进行回火处理。烧结后的磁体需经过修磨或电火花加工成一定的形状，经充磁、检测后即可作为元件使用。(2)熔体快淬工艺。主要生产快淬磁体。具体过程为：在真空或氩气中将熔融的钕铁硼合金溶液喷射在一个高速旋转的水冷铜辊表面，它以大约10⁶℃／s的冷速冷却成为非晶或微晶状态的薄带(呈鳞片状)，将薄带粉碎成粉末后再经过650℃左右热处理便可得到快淬磁粉，美国通用汽车公司将其称为MQ磁粉。这种磁粉与树脂等粘结剂混合后压结成形，再经过烘干固化即成为MQ₁磁体。将MQ磁粉在650～750℃范围内，用一定压力压结成相对密度为100％的各向同性大块永磁体称热压磁体(MQ₂磁体)，如果热压磁体再经过热压缩变形或热挤压变形处理，由于在热变形过程中晶粒产生流变而导致择优取向，所得到的大块各向异性永磁体称热变形磁体(MQ₃磁体)。(3)氢化(HDDR)工艺。主要生产HDDR磁粉。具体工艺过程为：将钕铁硼合金铸锭(约3～5mm粒度)置于密闭耐压的容器中抽真空，然后向容器充入10⁵Pa的氢气，接着将容器加热至750～850℃保温2h使合金歧化，随后在该温度下将容器抽真空约1h，即进行脱氢处理，最后再冷却至室温完成重组过程。具体反应式为

Nd₂Fe_l4B+2．7H₂---->Nd₂Fe_l4BH_2.9(吸氢过程)

Nd₂Fe_l4BH_2.9---->非常细的Fe，NdH_2.2，Fe₂B和Nd₂Fe_l4B的混合结构(歧化过程)

非常细的Fe，NdH_2.2，Fe₂B的混合结构生成Nd₂Fe_l4B晶核(脱氢过程)

由晶核长成Nd₂Fe_l4B细晶粒的钕铁硼合金(晶粒约0．3μm)(重组过程)     

HDDR工艺制备的粉具有Nd₂Fe_l4B相晶体结构，其晶粒尺寸约为0．3μm，比烧结磁体的晶粒小，接近合金的单畴尺寸，具有较高的矫顽力。每个粉末颗粒含有若干个细小的主相晶粒，具有无取向性，所以这种粉末为各向同性粉末。添加适当元素如铝、镓、锆、铪等组成多元的钕铁硼合金，采用HDDR工艺，可在大颗粒的粉末中使其中的细小晶粒择优取向，从而可得到各向异性粉末。用HDDR制得的粉可做成各向同性和各向异性粘结磁体，磁体的性能见粘结稀土永磁合金。