永磁材料是一種不需要消耗電能就可以持續提供磁能的物體，它具有能量轉換的功能，是重要的功能材料。汝鐵硼NdFeB永磁體以其極高的“磁能積”轟動于世，由于其優異的磁性而被稱為“磁王”，是目前世界上最強的永磁體。

什么是磁性材料？

磁性材料是一種生活中非常重要的功能性材料，可分為一般永磁材料和稀土永磁材料。它的應用十分廣泛，無論是國防軍工、能源產業、信息通訊、汽車工業還是電機工程領域，都能見到它的身影。其中，稀土永磁材料由于其高性能，發展得十分迅猛，電子器件朝著小型化發展的趨勢，在一定程度上也推動了它的發展。

磁性材料發展簡史

1、鈷鋼：1930年，人類最早制造的磁石材料，磁性雖然比天然磁石強了許多，但仍舊是低性能永磁材料。

2、Alnico鑄造永磁：后來人們利用Al、Ni、Co和Fe按比例配制成更強的永磁材料，Br可達12000～13000高斯，（BH）m可達5～10MGOe，Hc為500～600Oe。

3、恒磁鐵氧體：20世紀50年代利用氧化鐵粉研制成功金屬陶瓷永磁材料，一般Br為3000～4000Gs，（BH）m為3.0～5.0 MGOe，Hc為1500～3000Oe。由于是氧化鐵粉，所以成本較低，價格便宜。

4、稀土鈷永磁（第一代）：在20世紀70年代前后研制成功稀土鈷永磁，Br可達0.9～11.0KGs，（BH）m為18～20MGOe，Hcj可達30K以上。是第一代稀土永磁。主要是SmCo5，SmPrCo5等牌號。

5、稀土鈷永磁（第二代）：到20世紀70年代末又研制成功Sm2（Co，Cu，Fe，Zr）17型稀土鈷永磁，（BH）m可達30MGOe，常稱第二代稀土永磁。

6、釹鐵硼永磁（第三代）：到20世紀80年代末又研制成功迄今為止世界上最強的磁體，釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁材料，Br為12000～15000Gs，（BH）m可達40～50MGOe，Hc12.0～30KOe，稱為第三代稀土永磁。

誰是“磁王”？

第三代稀土永磁材料釹鐵硼是當代磁鐵中性能最強的永磁鐵，由于其優異的磁性能而被稱為“磁王”。

它的BHmax值是鐵氧體磁鐵的5~12倍，是鋁鎳鈷磁鐵的3~10倍；它的矯頑力相當于鐵氧體磁鐵的5~10倍，鋁鎳鈷磁鐵的5~15倍；其潛在的磁性能極高，能吸起相當于自身重量640倍的重物。

“磁王”釹鐵硼

釹鐵硼是一種由稀土金屬釹、金屬元素鐵、非金屬元素硼以及少量添加元素鐠、鏑、 鈮、 鋁、鎵、銅等元素組成的稀土永磁化合物，簡單來講是一種磁鐵，又稱磁鋼。釹鐵硼永磁體磁性能優良，質輕價廉，應用范圍廣泛，是迄今為止性價比最高的磁體材料。

釹鐵硼擁有極高的磁性能其最大磁能積，其本身的機械加工性能亦相當之好，而且其質地堅硬，性能穩定，有很好的性價比，故其應用極其廣泛。

但因為其化學活性很強，所以必須對其表面凃層處理（如鍍Zn、Ni、電泳、鈍化等）。

其溫度性能不佳，在高溫下使用磁損失較大，最高工作溫度較低。一般為80℃左右，在經過特殊處理的磁鐵，其最高工作溫度才可達200℃。

一、NdFeB的相組成

材料的基本組成影響材料的性能，燒結釹鐵硼永磁體主要采用粉末冶金法進行生產，它至少同時存在以下4種不同的相：

① 基體相（主相）：Nd2Fe14B相。它是在1200℃左右通過包晶反應形成的，是合金中唯一的磁性相。NdFeB磁體的優異的磁性能主要歸功于Nd2Fe14B相的高飽和磁化強度（μMs=1.6T）和各向異性場（7.3T）。

② 富Nd相：其熔點為650～700℃，是合金中最后凝固的，以薄層狀和塊狀存在，分布在晶界的交隅處或Nd2Fe14B的晶界上。它雖然是非磁性相，但由于其低熔點特性，在燒結時彌散分布于主相周圍，不但起到使燒結體致密化的作用，還使晶粒長大受到抑制，促進矯頑力提高，因此是必不可少的。

③ 富B相Nd1+εFe4B4：當合金中硼含量超過Nd2Fe14B的正常成分時才形成，它對磁性能沒有貢獻，一般數量極小，對磁性能影響不大。

④ α-Fe∶其熔點為1520℃，是合金中熔點最高的相，最先從液態合金中析出，a-Fe是軟磁相，它的存在導致了主相的減少和富釹相的增加，破壞了主相和富釹相的最佳配比，損害了主相晶粒的磁取向，同時還使燒結過程中局部區域的晶粒粗化，不僅使磁性能惡化，也使電鍍層組織變壞，影響防護作用。因此，從制造工藝上采取措施盡量減少或清除α-Fe相的產生，如片鑄工藝和快淬工藝等。

二、釹鐵硼的分類

由于制造方法和使用要求不同，NdFeB永磁可分為三大類：

（1）粘結型NdFeB（Bonded NdFeB）：NdFeB粘結磁體是用激冷的方法獲得微晶粉末，每個粉末內含有多個Nd-Fe-B微晶晶粒，再用聚合物或其它粘結劑將粉末混粘結合后壓制，擠壓或壓延而成塑料狀永磁體，因而通常的NdFeB粘結磁體是非致密的各向同性磁體。

通常的NdFeB粘結磁體的磁性能遠低于NdFeB燒結磁體，但NdFeB粘結磁體有著許多NdFeB燒結磁體不可替代的優點：加工精度高、成材率高、精密度高、磁性能極佳、耐腐蝕性好、溫度穩定性好；另外，Nd-Fe-B粘結磁體還便于任意方向充磁，能方便制作多極乃至無數極的整體磁體。

（2）燒結型NdFeB（Sintered NdFeB）：燒結型NdFeB永磁體是通過粉末冶金法而制成的，主要工序為：合金化（熔煉）→粗破碎→細碎→研磨成3～5.0?m細粉→磁場取向壓制→真空燒結回火→檢驗→加工→成品。

燒結型NdFeB永磁體矯頑力值很高，機械性能相當好，可以切割加工不同的形狀和鉆孔，但容易導致銹蝕，所以根據不同要求必須對表面進行不同的鍍層處理。且非常堅硬和脆、有高抗退磁性、不適用于高工作溫度。

（3）注塑釹鐵硼（Zhusu NdFeB）：有極高之精確度、容易制成各向異性形狀復雜的薄壁環或薄磁體。

三、腐蝕機理

NdFeB永磁體的易腐蝕性一方面是由于Nd是化學活性最高的元素之一（它的標準電勢E0（Nd?+/Nd）=-2.431V；另一方面，該合金是一種多相結構，各相間電化學位相差較大，易引起電化學腐蝕。

此外，NdFeB燒結過程中，磁體內部及表面容易出現微孔、結構疏松、表面粗糙等缺陷，而NdFeB永磁材料在應用中的工作環境常為高溫、高濕，這些缺陷在高溫、高濕環境下為NdFeB腐蝕提供了便利條件。同時，NdFeB制造過程中易含有O、H、Cl等雜質元素及其化合物，對腐蝕性影響最大的是O和Cl元素，磁體與O產生氧化腐蝕，而Cl及其化合物將加速磁體的氧化過程。

NdFeB易腐蝕的原因主要歸結為：工作環境、材料結構、制作工藝。研究表明，NdFeB磁體的腐蝕主要發生在以下3種環境中∶暖濕環境、電化學環境、長時間高溫環境（>250℃）。

01 高溫環境

在干燥環境中，當溫度低于150℃時，NdFeB磁體氧化速度很慢。但在較高溫度下，富Nd區會發生如下反應∶4Nd＋3O2=2Nd2O3。隨后，Nd2Fe14B相會分解生成Fe和Nd2C3。進一步氧化，還將出現Fe2O3等產物。

02 暖濕環境

在暖濕條件下，NdFeB磁體表層的富敏晶界相首先與環境中的水蒸氣按下式發生腐蝕反應：3H2O＋Nd=Nd（OH）3＋3H。反應生成的H滲人晶界中，與富Nd相發生進一步的反應：Nd＋3H→NdH3，造成晶界腐蝕。NdH3的生成將會使晶界體積增大，造成晶界應力，導致晶界破壞，嚴重時會使晶界斷裂造成磁體粉化。

環境濕度對磁體耐蝕性的影響要遠比溫度的影響大得多，這是因為磁體在干燥的氧化環境下，形成的腐蝕產物薄膜較致密，在一定程度上將磁體與環境分隔開，阻止了磁體的進一步氧化，而在潮濕的環境下生成的氫氧化物和含氫化合物不致密，不能阻止H2O對其的進一步作用。特別是當環境濕度過大時，如果磁體表面有液態水存在時，將會發生電化學腐蝕。

03 電化學環境

電化學環境中，NdFeB磁體中各相的電化學電勢不同。富釹相和富硼相相對于Nd2Fe14B來說成為陽極，將會優先發生腐蝕，形成局部腐蝕的微電池。這種微電池具有大陰極小陽極的特點，少量的富釹相和富硼相作為陽極承擔了很大的腐蝕電流密度，而它們是分布于Nd2Fe14B相的晶界上的，這樣就會加速其晶界腐蝕。當磁體表面有金屬鍍層（如電鍍Zn、Ni等）時，一但鍍層出現孔洞、裂紋等缺陷，在磁體與金屬鍍層間也會形成腐蝕電池作用。

一般情況下，磁體作為陽極而優先腐蝕，金屬鍍層作為陰極，這就是為什么具有鍍層的磁體往往出現暴皮現象的原因。另外，在對磁體進行表面處理的工藝過程中要接觸各種鍍液（如電鍍、化學鍍等），而燒結NdFeB磁體具有一定的孔洞，這樣在這些工藝過程中，酸液或鍍液就會進入孔洞，在以后的使用過程中也會造成電化學腐蝕。

四、防護技術

釹鐵硼磁體的防護技術簡單地分為化學防護技術和物理防護技術兩大類。

化學防護技術主要包括制備金屬鍍層的電鍍、化學鍍，制備陶瓷鍍層的轉化膜以及有機涂層的噴涂、電泳等。生產中以電鍍工藝在釹鐵硼磁體工件表面制備金屬防護鍍層最為常用。

電鍍是將磁體工件作為陰極，利用外電流，將電鍍溶液中的金屬陽離子在磁體表面還原，形成金屬鍍層的過程。燒結釹鐵硼磁體電鍍防護主要以提高磁體耐腐蝕性能為主，同時兼有提高表面力學性能、裝飾等作用。

電鍍的優點包括：工藝相對簡單，成膜速度快，易于大批量生產。大部分用于鋼鐵、有色金屬工件防護的電鍍金屬層的鍍種均可用于釹鐵硼磁體。用于釹鐵硼磁體防護的主要鍍種有Zn、Ni、Cu、Cr、Sn、Au、Ag等。由于釹鐵硼磁體具有多孔結構和化學性質活潑，單層鍍層常不能滿足較高的耐蝕要求，一般說來采用多層復合鍍可為磁體表面提供更為有效的防護。目前廣泛采用的有電鍍鋅、電鍍Ni-Cu-Ni、電鍍Ni-Cu-Ni+Ag、電鍍Ni-Cu-Ni+Au、電鍍Ni-Cu-Ni+電泳環氧等。

鋅沒有磁性，作為防護鍍層對磁體磁性能影響小。與鎳、銅相比，鍍鋅價格相對低廉。鋅的硬度較低，鍍層內應力較小，不適用于防護易磨損的釹鐵硼磁體工件。有文獻報導鋅鍍層用于釹鐵硼磁體防護形成原電池時可以通過犧牲陽極來保護基體。鋅鍍層的標準電極電位是-0.762V，在研究了釹鐵硼磁體各成分相的電極電位后基本可以認定鋅鍍層并不能提供完全的陽極防護。實際使用效果上來看，鋅鍍層對釹鐵硼磁體的犧牲防護的效果并不明顯。鋅鍍層如果不經過處理，在空氣中會變暗，因此鍍鋅后還需要進行鈍化處理。

鎳鍍層的標準電極電位為-0.25V，較釹鐵硼磁體正，為陰極性鍍層，一旦外界電解質滲入鍍層內部，反而會造成基材加速腐蝕，導致鍍層和基體的結合力變差，出現鍍層分層、起泡等缺陷，應用中對鎳鍍層致密度的要求非常高。釹鐵硼磁體表面電鍍鎳，通常采用多層體系如Ni-Cu-Ni來降低鍍層的孔隙率，提高鍍層抗耐蝕性能。相對而言，電鍍Ni-Cu-Ni成本比電鍍鋅高，但因耐高溫、抗氧化、耐蝕、裝飾性能、力學性能較優而受到用戶青睞。

可直接用于釹鐵硼磁體防護的單質金屬電鍍層還有銅、錫、金、銀等，同時還有相當多的合金鍍技術也可以用于釹鐵硼磁體防護，如鎳磷合金、鎳硼合金、鋅鐵合金、鋅鎳合金等等。對于釹鐵硼磁體來說，Zn-Ni合金鍍層是陰極型鍍層，在研究了不同組成的Zn-Ni合金鍍層的穩定電位后表明，含Ni量為13%左右時，Zn-Ni 鍍層為γ相的單相金屬間化合物，它具有很高的熱力學穩定性和耐蝕性。

經過多年生產和使用證明，釹鐵硼磁體電鍍防護鍍層的缺點也相當明顯：鍍層孔隙率大，鍍層不致密，有形狀依耐性，工件邊角處會因電鍍過程中電力線集中鍍層增厚，需要對磁體邊角做倒角處理，對深孔樣品無法施鍍；電鍍工藝對磁體基體有損傷作用，在一些較嚴酷的場合，電鍍鍍層長時間使用后，會出現鍍層開裂、剝離、易脫落等問題，防護性能下降；隨我國環保意識的日益提高，用于電鍍三廢處理的成本在磁體總成本中的比例急劇增長。

化學鍍鎳技術是指在不加外加電流的情況下，鍍液中的金屬鹽和還原劑發生氧化還原反應，在工件表面的催化作用下，金屬離子還原沉積的過程。與電鍍相比，化學鍍工藝設備簡單，不需要電源及輔助電極，鍍層厚度均勻，特別適合形狀復雜的工件、深孔件、管件內壁等表面施鍍，鍍層的致密度和硬度較高。化學鍍也存在一些缺點，鍍層厚度上不去，可鍍的品種不多，工藝要求相對較高，鍍液維護比較復雜。化學鍍鍍種主要有鍍鎳、鍍銅以及鍍銀等。目前化鍍學鎳磷合金在釹鐵硼磁體防護工藝中有一定的采用，且多作為電鍍鍍層的追加防護使用。由于化學鍍鎳過程中有大量的氫氣析出，對釹鐵硼磁體基體造成較大損傷，同時使得鍍膜具有較高的應力，使用過程中鍍層易出現開裂、起皮等現象。

采用轉化膜如磷化、鈍化等技術在鋼鐵中很常見。在釹鐵硼磁體表面采用傳統的磷化也可以在表面形成一層致密的防護層。釹鐵硼磁體磷化后可增加運輸過程的防護，同時提高粘膠的結合力。

有機涂層的種類很多，大多可采用噴涂、刷涂以及電泳等方法進行涂覆加工。有機涂層成膜致密，對鹽霧、水蒸氣等有較好的阻隔作用。有機涂層可以與釹鐵硼磁體電鍍技術復合使用，達到進一步提高磁體防護性能的要求。

釹鐵硼永磁體的應用

釹鐵硼磁體可廣泛應用于電動機、發動機、音圈馬達、磁共振成像儀、通訊、控制儀表、音響設備等方面。

目前，稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應用領域，約占磁體總應用量的70％，其種類繁多，形狀、性能各異。

計算機硬盤配套的音圈電機占40％~50％，所以目前計算機產業是永磁電機的最大用戶。

汽車工業是釹鐵硼永磁應用增長最快的領域之一。在每輛汽車中，一般可以有幾十個部位如引擎、制動器、傳感器、儀表、音箱等會用到40～100顆NdFeB系及SmFeN系燒結磁體。

據悉，一輛全自動高級轎車約需消耗稀土永磁材料0.5kg～3.5kg；新能源汽車上釹鐵硼材料的應用量更多，每輛混合動力車要比傳統汽車多消耗約5kg釹鐵硼，純電動車采用稀土永磁電機替代傳統發電機，多使用5～10kg釹鐵硼。隨著汽車工業的發展和電子技術要求的不斷提高，其對釹鐵硼永磁材料的需求量將越來越大。