Masato Sagawa, Yasuhiro Une
Daido Steel Co., Ltd., Nagoya, Japan
自从烧结钕铁硼（NdFeB）磁体问世以来，它一直被誉为世界上磁性最强的磁体。然而，它存在一个缺陷，即当温度升高时，其矫顽力会迅速下降。为了解决这一问题，人们提出了一种方法，即通过部分替换钕（Nd）为镝（Dy），来提高主相的各向异性，从而提高其矫顽力。这一替代方法的发现推动了烧结钕铁硼磁体的工业化生产，但也同时带来了新的挑战。
正如前文所述，通过向原材料合金中添加镝（Dy）和铽（Tb），可以相对简单地制备高矫顽力的烧结钕铁硼磁体。然而，值得注意的是，重稀土元素的资源相对于轻稀土元素钕（Nd）和镨（Pr）来说要稀缺得多,如果未来大量在电动汽车驱动电机中使用烧结钕铁硼磁体，那么重稀土元素的供应将显然无法满足需求。此外，当将镝（Dy）或铽（Tb）添加到Nd2Fe14B相中时，这些元素的磁矩方向与钕和铁相反，从而导致磁体的饱和磁化强度降低。因此，研究人员一直在致力于寻找解决温度特性问题的方法，以尽可能减少对重稀土元素的依赖。
一种方法是细化钕铁硼烧结磁体的晶粒尺寸。通过使用3μm的粉末，可以将烧结钕铁硼磁体的矫顽力提高到16kOe，比工业中通常使用的5μm粉末制成的烧结磁体要高3kOe；
另一种方法是晶界扩散。通过使用铽（Tb）的晶界扩散方法，也可以将磁体的矫顽力提高约7 kOe。
通过这两种方法，烧结钕铁硼磁体的矫顽力可以提高到23kOe，而使用常规标准粉末（直径5μm）制成的烧结钕铁硼磁体的矫顽力为13kOe。结合晶界扩散技术，磁体的矫顽力极限可达到20kOe。为了获得25kOe的矫顽力（电动汽车驱动电机磁体性能要求下限值），大多数生产商会向烧结钕铁硼磁体的基材中添加约3％的镝（Dy）。
电动汽车驱动电机所需的磁体需要大量的镝（Dy），是因为电机中的磁体温度可能升高到200°C。导致这一现象的原因之一是磁体和电机中的铁芯相互运动产生的涡流发热。为了降低涡流发热，铁芯通常由0.2-0.3mm厚的硅钢薄片叠压制成。但是，烧结钕铁硼磁体薄片制造成本较高，而采用层叠方式制造的多层磁体也价格不菲，因此真正适用于电动汽车驱动电机的磁体还尚未在工业生产中实现。
对此，本文作者之一佐川真人（M. Sagawa）提出了一种新型多层烧结钕铁硼磁体构想。与当前的非层压磁体相比，这种磁体在成本方面具有竞争力，在磁性能方面却更为优越，适用于下一代电动汽车驱动电机。其制造方法如下：
（1）钕铁硼合金粉末微粒直径为3μm；
（2）制造厚度2毫米的烧结钕铁硼磁体薄片，无需进行任何加工；
（3）将铽（Tb）或镝（Dy）氧化物或氟化物粉末涂敷在厚度2mm的单元磁体薄片表面（用量0.3wt%）；
（4）将涂有重稀土粉末的单元磁体薄片层叠，之后在温度700–800°C，压力30–50MPa下热压，之后在800–900°C的温度热处理约10小时，以增强晶界扩散效应，之后再经过500°C热处理。
以这种方法制造的多层烧结磁体被称为新型多层烧结钕铁硼磁体，具有以下特点：
（1）低涡流损耗：这些多层磁体由厚度2mm的单元磁体组成，极大降低了电机运行过程中产生的涡流损耗。初步的模拟结果表明，多层磁体在工作时产生的涡流损耗仅有原先的1/100；
（2）高磁性能：原有烧结磁体中不含重稀土元素，因此其剩余磁感应强度（Br）较高。因为每个厚度2毫米的磁体单元薄片中都加入了重稀土材料，晶界扩散处理非常高效且均匀，可以使样品的Br达到14KGs，HcJ为25KOe；
（3）高材料利用率：多层磁体烧结后无需任何加工，材料利用率接近100％，可以降低高昂的加工成本。重稀土元素的用量被限制在0.3wt%，这种用量的重稀土元素在丰富的稀土矿石中，如独居石和氟碳铈矿中可以找到。
总之，新型多层烧结钕铁硼磁体具有低涡流损失、高磁性能以及高利用率等特点，使其成为下一代电动汽车驱动电机用磁体极具吸引力的选择。
在不久的将来，新型多层烧结钕铁硼磁体将成为全球电动汽车驱动电机的主流选择。电动汽车的普及将有助于减缓全球变暖的趋势，而新型多层烧结钕铁硼磁体作为电动汽车关键部件的使用，将促进提升电动汽车的性能和效率，有望在推动电动汽车技术的普及和环保交通方式的转型中发挥重要作用。
（摘译自《MODERN PERMANENT MAGNETS》，仅供参考学习）
发布时间: 23-10-04