第122期
2022 年 11 月 9 日
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从中国专利申请看R-T-B系永久磁铁研发方向
芮嘉玮/台湾中技社 科技暨工程研究中心 组长

2022年9月,中国厦门钨业与北方稀土签署战略合作协议,优先保障厦门钨业控股企业对于镨、钕、镧、铈等稀土金属的采购供应。此次签署战略合作协议,是中国南北两大稀土集团在稀土领域的强强连手,对于提升中国稀土产业集中度和国际话语权具有重要意义。

中国在稀土材料方面有完整的研发机构,如中国科学院及包头稀土研究院等,在产业方面有厦门钨业、有研稀土及金龙稀土等,其中厦门钨业股份有限公司(简称厦门钨业)的营运架构,包含钨、钼、稀土、能源新材料及房地产,主要从事钨精矿、钨钼中间制品、各种稀土氧化物、稀土金属、稀土发光材料、磁性材料、锂电池正极材料及其他能源新材料的研发、生产和销售,其中钨冶炼产品的生产能力居世界第一,是中国最大的钨钼产品生产与出口企业,同时也是六大稀土集团之一。

福建省长汀金龙稀土有限公司(简称金龙稀土)是福建省稀土产业的龙头企业,为厦门钨业2006年收购之全资子公司,主要从事稀土分离、加工及稀土功能性材料的研发,拥有从稀土矿开采、分离、精深加工(荧光粉、磁性材料)等完整的产业链优势。金龙稀土未来的发展战略,以稀土深加工为重点,不断壮大和延伸稀土产业链。

在厦门钨业与金龙稀土共同申请的专利中,有许多涉及R-T-B系永久磁铁的原料组合物专利,包括钕铁硼磁体材料、原料组合物及其制备方法和应用。

R-T-B系永久磁铁研发方向

为了作为支撑电子器件的关键材料,新型永磁材料的研发方向朝着兼及高磁能积与高矫顽力的方向进行。R-T-B系永磁材料已知为永久磁铁中性能最高的磁铁,被用于硬盘驱动器的音圈电机(VCM)、电动车用(EV、HV、PHV等)电机、工业设备用电机等各种电机和家电制品等。至于什么是R-T-B系烧结磁铁,R指的是稀土元素,T指过渡金属元素及第三主族金属元素,B指硼元素,例如钕铁硼(Nd-Fe-B)永久磁铁,由于其优异的磁特性而被广泛应用于电子产品、汽车、风电、家电及工业机器人等领域,例如硬盘、手机、耳机、和电梯曳引机、发电机等永磁电机中作为能量源等,其需求日益扩大,而诸如剩磁(Br)、矫顽力(Hci)等磁铁重要性能的要求也逐步提升。

为了提升R-T-B系烧结磁铁的剩磁,通常需要降低B含量,但是当B的含量较低时,不具有室温单轴各向异性,会使得磁体的性能劣化。现有技术中,一般透过添加重稀土元素例如镝(Dy)、铽(Tb)、钆(Gd)等,以提高材料的矫顽力以及改善温度系数,但重稀土价格高昂,采用这种方法提高R-T-B系烧结磁体产品的矫顽力,会增加原材料成本,不利于R-T-B系烧结磁体的应用。因此,在不添加或少量添加重稀土的情况下,如何采用低B体系(B<5.88at%)制备得到高矫顽力、高剩磁的R-T-B系磁铁是目前永磁领域亟待解决的技术问题。

此外,在制备R-T-B系永磁材料过程中,由于原料纯度不够,会引入一定含量的碳;同时由于钕铁硼粉末活泼且流动性较差,需要添加抗氧剂、润滑剂、脱模剂等有机添加剂,也会引入一定含量的碳。常规的制备工艺过程中,碳极易与活泼的富Nd相结合,形成碳化钕,从而导致磁体的内禀矫顽力(intrinsic coercivity,简称Hcj)下降。因此,现面临的技术难题是:一方面需要降低合金中的碳元素含量,另一方面由于制备工艺或原料原因又不得不引入一定的碳源。这样既矛盾又客观的技术难题,亟需一种新的R-T-B系永磁材料的配方来克服上述技术难题。

控制Al含量改善磁铁性能

为了克服现有技术中低B含量(B<5.88at%)造成磁体性能变差且同一批次产品的磁性能不均一的问题,中国专利CN111243812B提供了一种R-T-B系永磁材料及其制备方法,该R‑T‑B系永磁材料的原料组合物包括:R:28.5~33.0 wt%;Ga:>0.5 wt%;Cu:≥0.4 wt%;B:0.84~0.94 wt%;Al:0.05~0.07wt%;Co:≤2.5 wt%但不为0;Fe:60~70 wt%;N:Ti、Zr和Nb中的一种或多种;当N包含Ti时,所述Ti的含量为0.15~0.25 wt%;当N包含Zr时,所述Zr的含量为0.2~0.35%;当N包含Nb时,所述Nb的含量为0.2~0.5 wt%。所述百分比为各组分质量占该R-T-B系永磁材料总质量的质量百分比。藉由控制该R-T-B系永磁材料原料组合物中Al的含量,例如Al占所述原料组合物总质量的质量百分比为0.05~0.07 wt %,同时将一定范围含量内的Ga和Cu与其他元素作合适的组成配置,能够制得磁体性能优异且且同一批次产品性能均一的R-T-B系永磁材料。

晶界扩散助力Hcj提升

为了解决R-T-B系永磁材料中碳元素导致磁体之内禀矫顽力(Hcj)下降的问题,美国专利公开号US20220293309A1提供一种R-T-B系永磁材料和将该R-T-B系永磁材料进行晶界扩散处理的制备方法[1]。该R-T-B系永磁材料包括以下组成:稀土元素R:29.0~32.5 wt.%,且R包括重稀土元素(RH);Cu:0.30~0.50 wt.%;Ti:0.05~0.20 wt.%;B:0.85~1.05 wt.%;C:0.1~0.3 wt.%;Fe:66~68 wt.%;其中稀土元素R至少包括钕(Nd),且重稀土元素(RH)至少包括镝(Dy)或铽(Tb)。该R-T-B系永磁材料中含有Cu-Ti-C晶界相,允许较高含量的碳,不需要额外控制碳含量,有助于生产管控;同时,因在扩散过程中形成Cu-Ti-C晶界相,抑制了Nd-C的生成,提供更多的扩散通道,有助于扩散过程Hcj的提升,例如:铽(Tb)扩散Hcj提升了1162kA/m,镝(Dy)扩散Hcj提升了883kA/m。图1为制得的R-T-B系永磁材料观察其磁体的晶相结构,扫描形成的Nd、Cu、Ti、C分布图,其中点1为Cu-Ti-C相。

图1: R-T-B系永磁体晶相结构

图片来源:美国专利号US20220293309A1

适量调节C、Cu及重稀土元素用量

为了克服现有技术的钕铁硼磁体透过添加Co来提高居里温度和抗腐蚀性能、而Co又容易造成矫顽力急剧下降以及价格昂贵的缺陷以及Al的过量加入恶化剩磁和居里温度的缺陷,PCT国际专利号WO2021/244314A1提供了一种钕铁硼磁体材料的原料组合物[2],包括轻稀土元素LR,所述LR包括钕(Nd)、镨(Pr)和/或钐(Sm);其中,当所述LR包含镨(Pr)时,所述镨(Pr)的含量为0~16mas%、且不为0;钬(Ho),0~10mas%、且不为0;钆(Gd),0~5mas%;镝(Dy),0~3mas%;铽(Tb),0~3mas%;且Gd、Dy和Tb不同时为0;碳(C),0.12~0.45mas%;铜(Cu),0.12~0.6mas%;镓(Ga),0~0.42mas%,且不为0;钴(Co),0~0.5mas%;铝(Al),0~0.5mas%;X,0.05~0.45mas%,所述X包括钛(Ti)、钕(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)和铬(Cr)中的一种或多种;硼(B),0.9~1.05mas%;其余为Fe;mas%为各元素占所述钕铁硼磁体材料的质量百分比;该钕铁硼磁体材料的微观结构包含主相、晶界外延层和富钕相;主相和晶界外延层分布有Ho和C,富钕相分布有Cu以及Dy和/或Tb;透过熔炼时添加适当用量的C和Cu以及重稀土元素,在不添加或者少量添加Co及Al时,调节材料的剩磁、矫顽力,同时改善高温稳定性。该钕铁硼磁体材料晶界连续性好(达96.5%以上),具有高剩磁、高矫顽力、良好高温性能和良好的耐腐蚀性。图2为钕铁硼烧结体的SEM图,其中1为主相,2是晶界外延层,3是富钕相。

图2:钕铁硼烧结体的SEM图

图片来源:美国专利号WO2021/244314A1

 

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【本文仅反映专家作者意见,不代表本报及其任职单位之立场。】

 
作者: 芮嘉玮
现任: 台湾中技社科技暨工程研究中心 组长
学历: 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士
台湾中原大学 财经法律研究所 硕士
台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士
经历: 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室
台湾工研院电子与光电研究所专利副主委
光电产业知识产权经理
专长: 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作,专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势,并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲,成功引领技术前瞻与产业关键议题。

 


 





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