金釗 敖衛東 張智軼 甘劍鋒
（重慶通信學院，400035）
摘要：稀土永磁材料在國民經濟中占有重要的地位。本文從稀土永磁材料特點出發，介紹了稀土永磁材料發的相關發展應用，并進行了釹鐵硼永磁體的粘結研究。
關鍵詞：稀土永磁；粘結
0 引言
稀土永磁材料作為一種重要的功能材料，已被廣泛應用于能源、交通、機械、醫療、計算機、家電等領域，深入國民經濟的方方面面，其產量與用量已成為衡量一個國家綜合國力與國民經濟發展水平的重要標志。
稀土永磁的出現是永磁材料領域中的一個巨大進步，尤其是NdFeB稀土永磁材料的高性能使得高新技術產業中的磁器件高效化，小型化，輕型化成為可能。相信隨著稀土永磁材料應用的擴展，定會迎來一個稀土永磁高新技術應用的新時代。
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展的一種新穎永磁材料。
稀土永磁材料發展十分迅速，現已經在許多領域里得到了廣泛的應用，成為當代新技術的重要物資基礎。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機。產品類型包括伺服電動機、驅動電動機、汽車啟動機、地面軍用電機、航空電機等，部分產品出口。
稀土永磁體不僅具有很高的剩磁感應強度，很高的磁能積，而且具有很高的矯頑力，這一點是當今任何永磁材料所無法相比的。目前，采用燒結法制造的鈷基稀土永磁體的矯頑力可達800KA/m；鐵基燒結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點：
（1）高的磁特性：具有很高的剩磁感應強度B，很高的磁能積（B.H）和很高的矯頑力（特別是高的內稟矯頑力）。目前采用的燒結鈷基稀土永磁體的剩磁感應強度可大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，恢復線與退磁曲線相重合，可逆磁導率接近于1.0。
（3）耐溫高：燒結鈷基稀土永磁體的居里溫度可達850攝氏度，因此可適應高溫環境工作，鈷基稀土永磁體的工作溫度可達300攝氏度。
（4）溫度穩定性較好：鈷基稀土永磁體的剩磁感應強度可逆溫度系數可做到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”，是各國科學家，尤其是材料專家最關注的一組元素。
根據國際純粹與應用化學聯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，再加上與其電子結構和化學性質相近的鈧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。
稀土元素的應用蓬勃發展，已擴展到科學技術的各個方面，尤其現代一些新型功能性材料的研制和應用，稀土元素已成為不可缺少的原料。
在農業領域目前發展有稀土農學、稀土土壤學、稀土植物生理學、稀土衛生毒理學和稀土微量分析學等學科。稀土在冶金工業中應用量很大，約占稀土總用量的1/3。稀土可以用于石油裂化工業中的稀土分子篩裂化催化劑。
在高新技術產業中應用，可以用作顯示器的發光材料、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用于各種電機的開發上可以明顯的減輕電機的質量，減小電機的外型尺寸，又可以獲得高效的節能效果和提高電機的性能，再結合電力電子新技術，使得稀土永磁材料在電機中的應用可實現產品機電一體化，各種用途的新型稀土永磁電機將進入了一個嶄新的發展階段。
稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應用領域，約占磁體總量的70％，計算機硬盤配套的音圈電機(VCM)占40％-50％，所以計算機產業是永磁電機的最大用戶。
采用稀土永磁電機可以明顯減輕電機的重量，如10kW普通發電機，重量為220kg，而稀永磁發電機為92kg。稀土永磁電機高效節能，平均節電率高達10％，某些專用電機節電率高達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，與過去使用的直流電動機相比，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，有望對許多應用領域產生革命性的影響。除了在計算機、打印機、移動電話、家用電器、醫療器等方面的廣泛應用外，汽車中的發電機、電動機和音響系統的應用已經日趨成熟，這將極大地帶動釹鐵硼產業的發展。
將來一個國家或一個家庭使用釹鐵硼永磁的多少將標志著現代化的水平。具體而言，應用在以下一些方面：計算機和微電腦的音圈電機(VCM)與軟盤驅動器、汽車、BP機與手機、核磁共振成象、電動車輛、VCD與DVD主軸驅動、復印機、傳真機、電動工具、空調機、冰箱、洗衣機、機床數控系統、電梯驅動及各類新型節能電機；選礦機、除鐵設備，各類磁水器、磁化器；高性能微波管，魚雷電推進，陀螺、激光制導，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、減脂肪運動機、五行針等。其它還應用于防霧尾燈、磁卡門鎖、禮品盒開關等等�？梢哉f，釹鐵硼永磁材料的應用已逐步滲透到各處領域。
4日美等國的相關發展狀況和我國稀土永磁材料發展展望
4.1 日美等國的相關發展狀況
目前，日本，美國在釹鐵硼主永磁方面的研究，生產，應用上居世界領先地位，也是最主要的市場。
日本是粘結釹鐵硼磁體生產量最大的國家，下表列出了日本粘結釹鐵硼磁體的主要應用領域（用%表示）。
從上表可以看出，粘結釹鐵硼最大的應用領域是電機。美國曾規定，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。日本汽車制造商瞄準此市場，開發新的高磁能積各向異性釹鐵硼無刷電機。假如在汽車中粘結釹鐵硼磁體占50％，每輛汽車就需要102克，全球汽車產量5540萬輛，需要粘結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釹鐵硼產值5億多美元。
4.2 我國稀土永磁材料發展及展望
永磁材料的發展先后經歷了鐵氧體階段（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、揚聲器、步進電機、無芯電機等實現了超小型化。
我國進行稀土永磁的應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，解決了石油工業跑冒滴漏的老大難問題。磁醫療治療各種疾病及磁療首飾等的開發和應用，也屬影響面較廣的稀土永磁應用。
另一個稀土永磁重要的應用領域是磁懸浮系統。磁懸浮軸承已成功地應用在超高速旋轉裝置及電度表軸承上。此外應當指出的是一個巨大潛在應用領域即磁懸浮列車運輸系統。如果磁懸浮列車投入商業運行，必將極大地推進稀土永磁產業的更加高速的發展。這種項目只在幾個經濟實力強、技術水平高的發達國家進行。
我國對稀土永磁體的需求增長率持續在20%左右。 “十五”期間我國燒結NdFeB磁體總產量達到50000噸左右，銷售總額150億元。到2010年中國燒結NdFeB磁體產量將達到7萬噸，占全球75%，銷售額260億元。在未來10內，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研究
隨著現代電機工業的迅速發展，尤其是近代稀土永磁工業的興起為我們的設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。
根據稀土永磁電機設計要求，進行了磁鋼與轉子鋼箍的粘結實驗，在滿足整機性能和機械結構性能的基礎上，使電機磁性能達到設計要求，實現優化設計。
實驗方法及步驟如下：
5.1 按要求配量
按照設計要求，實驗操作程序，完成幾種固定配比的粘結劑的調試定型工作。
5.2 預估方案
首先，在轉子鋼箍的基礎上進行沒有兌入磁粉的粘結性能及磁性能的測試。具體操作步驟如下：
（1）粘結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，以保證金屬表面達到良好的密合性能，保證金屬元件在粘結完成后獲得良好的機械性能。將準備好的粘膠按要求調為可用的粘結劑，而后靜置大約一分鐘，使粘結劑的粘結效果達到最佳狀態。
（2）將處理好的金屬機件按粘結順序放置好，用軟毛刷蘸取適量的可用粘結劑，均勻的涂抹在機件的粘結面上。涂抹時要保證用量適當，涂抹均勻。用量過少，粘結疏松，機械性能較差，容易造成轉子在高速旋轉時機件損壞；用量過多，粘結劑四溢，會使粘結面粘有太多污垢，影響性能測試和最終的設計定型；涂抹不均，會使機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揮，降低電機的使用效能。
（3）在完成粘結后，在對粘結好的機件進行加固加壓操作，盡量減小機件間的空氣間隙，提高密合程度，降低磁能損耗，以保證機件良好的性能發揮；同時也可進一步使機件粘結緊密，提高機件的機械性能。
（4）完成以上操作后，保持機件粘結狀態靜置24小時，使粘結劑的粘結效能達到最高，機件充分粘合，連結緊密。
（5）而后，使用專用測試儀器高斯儀，測試粘結后磁鋼表面不同位置的剩磁感應強度，以檢測粘結劑配比是否恰當，涂抹是否均勻，機件整體的磁性能達到了多高的標準，是否符合要求；再對其結構性能、粘結強度進行測試，保證磁鋼在轉子高轉速下的粘結性能，使磁鋼不會在離心作用下脫落等。
其次，按磁粉和已調好的粘結劑的不同比例兌入磁粉，形成混合試劑。再用調好的混合試劑粘結磁鋼與轉子鋼箍。實驗過程與要求同上。選用同一磁鋼進行反復實驗，每粘一次，就測一次數據，而后再將該磁鋼拆除后，進行仔細清潔，在相同位置，用不同比例的粘結劑再進行相同實驗。待實驗結束后，再按照不同的情況讀取、記錄和保存數據。從而保證實驗數據的精確性、可操作性和可靠性。
5.3 檢查效果，確認并驗證最佳方案
按照要求，我們確立以實現較高的結構性能和良好的磁性能為目標。因此，在實驗效果檢查中，粘結的可靠性和磁性能就成為重點檢查項目。
檢查粘結性能時，進行機械強度試驗，只有磁鋼與轉子鋼箍的間隙沒有明顯的變化才可達到所需的粘結強度，表明粘結件在結構性能上達到設計要求。
檢查磁性能時，首先清除磁鋼表面的污漬，而后使用專用數據測試儀器分別在磁鋼的兩端和中間進行測試，讀取相關數據，并做記錄。將所得的數據進行對比后，確認一種最接近實驗要求的數據，按其實驗時的方案，小幅度調整數據配比后，再反復進行操作實驗，以找到最佳的實驗方案，獲得最優的實驗數據。
實驗數據如下：
（1）單塊磁鋼的技術參數：
（2）加導磁環后的技術參數：
（3）在有導磁環的情況下，實驗的相關技術參數根據實驗進程和實驗預定方案記錄如下：
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:
根據以上數據分析，當兌入磁粉較多時系統磁性能較強大，但結構強度下降明顯；反之，當粘結劑使用較多時能夠保證得到較高的結構性能，但系統無法得到比較理想的磁性能水平。當兌入的磁粉最多時，即磁粉與膠的比例對比達到1比1時，系統磁性能達到最高，但此時我們所做的強度實驗顯示，機械強度明顯下降；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械強度，使系統整體性能達到最佳水平。
6 結語
稀土永磁材料在能源、交通、機械、醫療、計算機、家電等領域得到廣泛應用，大力開發新型稀土永磁材料有利于將我國資源優勢轉化為產業優勢，能帶動高新技術產業及相關行業的迅猛發展，給國民經濟帶來新的增長點，是市場前景好、應用潛力大的朝陽產業。
參考文獻
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