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东磁高性能永磁铁氧体材料开发进展(转载)

发布日期:2019-03-27    浏览次数:112

杨武国1 傅晓敏1 丁伯明1 郭亚平2

1 横店集团东磁股份有限公司 浙江 东阳 3221182 上海师范大学化学系 上海 200234

 

:近年来高性能永磁铁氧体材料技术发展十分迅速,本文简要介绍了当前国际高性能永磁铁氧体技术发展现状,并着重介绍了近年来东磁公司高性能研究开发和量产化情况,最后对高性能永磁铁氧体未来市场情况和技术发展前景进行了展望。

一、前言

永磁铁氧体是以碳酸锶或碳酸钡及铁氧化物为主要原材料,加上少量其它添加物,通过陶瓷工艺(预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工)制造而成,具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁,一经磁化即能保持恒定磁性的功能性材料。按生产工艺不同,可将永磁铁氧体分为烧结和粘结两种,其中烧结又分为干压成型和湿压成型,粘结分为挤出成型、压制成型和注射成型。由粘结铁氧体料粉与合成橡胶复合而制成的具有柔软性、弹性及可扭曲的磁体又被称做橡胶磁。根据成型时是否外加磁场则分为各向同性永磁铁氧体和各向异性永磁铁氧体。

高性能永磁铁氧体电机磁体是永磁直流电机的关键基础功能材料之一,具有高剩余磁通密度、高矫顽力和高磁能积等特性,能满足强退磁场,低温,高海拔等各种环境下电机的使用要求,具有高的灵敏度和稳定性,可以广泛应用于高功率、高转速、高扭矩的各类电机,如高档汽车电机(ABS电机、启动电机等)、摩托车启动电机、家用电器以及电动具马达等领域。

本文简要介绍了当前国际高性能永磁铁氧体材料技术发展现状,并着重介绍了近年来东磁公司高性能研究开发和量产化情况,最后对高性能永磁铁氧体未来市场情况和技术发展前景进行了展望。

二、高性能永磁铁氧体当前发展水平

近二十年来,以TDK公司为代表的日本永磁铁氧体厂商在永磁铁氧体的研究和生产上取得了突破性进展,相继研究并生产出湿压FB6FB9系列永磁铁氧体和干压FB5系列,其主要技术特点均是以Sr铁氧体为基础,通过La-Co联合代换为代表的离子代换技术。FB6FB9系列湿压永磁铁氧体和FB5系列干压永磁铁氧体材料性能如表1和表2所示:

 

1  TDK公司湿压FB6和FB9系列永磁铁氧体性能指标

牌号

Br(mT)

Hcb(kA/m)

Hcj(kA/m)

(BH)max(kJ/m-3)

FB9N

460±10

278.5±11.9

286.5±11.9

40.4±1.6

FB9B

450±10

342.2±11.9

358.1±11.9

38.6±1.6

FB9H

430±10

330.2±11.9

397.9±11.9

35.0±1.6

FB6N

440±10

258.6±11.9

262.6±11.9

36.7±1.6

FB6B

420±10

302.4±11.9

318.3±11.9

33.4±1.6

FB6H

400±10

302.4±11.9

358.1±11.9

30.3±1.6

FB6E

380±10

290.5±11.9

393.9±15.9

27.5±1.6

    据文献报道,1997年,TDK公开发布开发成功性能大幅提升了的新材料——镧钴掺杂锶铁氧体,称之为FB9系列,采用新配方成分的FB9系列与旧型的FB6 系列相比,在最大磁能积上提高了30%左右。

2  TDK公司干压FB5系列永磁铁氧体磁性能指标

牌号

Br(mT)

Hcb(kA/m)

Hcj(kA/m)

(BH)max(kJ/m-3)

FB5D

415±10

254.6±11.9

262.6±15.9

32.6±1.6

FB5DH

400±10

278.6±11.9

318.3±15.9

30.3±1.6

2007年初,日立和TDK公司又先后公告推出12系列相关永磁铁氧体材料,其基本性能如表3所示。TDK公司的FB12系列产品公告中指出,12系列产品与该公司现有的FB9系列相比,磁能积((BH)max)提高了约20%,内禀矫顽力(Hcj)和剩余磁通密度(Br)也得到了提高,同时,Hcj等磁性能不易随温度变化,温度变化是FB9系列的1/3左右。公告同时指出:磁性能的提高主要有两个原因,一是添加了新元素,同时改变了镧(La)和钴(Co)的含量;另一个是将组成磁铁的结晶粒子缩小到1μm以下,并且降低了粒子的不均一性。

3 日立和TDK公司12系列永磁铁氧体基本性能指标

公司

牌号

Br(mT)

Hcb(kA/m)

Hcj(kA/m)

(BH)max(kJ/m-3)

TDK

FB12B

470±10

340±12

380±12

43.1±1.6

FB12H

460±10

345±15

430±15

41.4±1.6

日立

NMF12E

470±10

294-334

≥310

39.7-43.0

NMF12F

460±10

318-358

≥342

38.2-41.4

NMF12G

450±10

310-350

≥382

36.6-39.8

2010年初,TDK公司再次推出新材料牌号FB13B/FB14H,其具体性能指标如表4所示。区别于以前的湿压各向异性和干压各向异性,TDK提出了一种新的概念,称之为薄壁各向异性材料,其特点在于产品的厚度在2mm左右。

4  TDK公司薄壁各向异性FB13B/14H永磁铁氧体磁性能指标

牌号

Br(mT)

Hcb(kA/m)

Hcj(kA/m)

(BH)max(kJ/m-3)

FB13B

475±10

340±20

380±20

44.0±1.6

FB14H

470±10

355±20

430±20

43.1±0.2

    TDK认为运用传统的生产工艺很难生产壁厚不到3mm 的薄型高性能铁氧体磁铁。但是,人们对车载电器用直流电机以及电机的小型化、轻量化的要求越来越强,必须实现磁铁的薄型化。于是,TDK 开发了名为“NS1工艺”的新生产工艺。基于FB12 材料,引进独特的高密度充填生产方法,确立了壁厚仅有1.0 ~2.5mm 的高性能薄型各向异性铁氧体磁铁的量产技术。开发并生产了高性能薄型各向异性材质的FB13B、FB14H 产品。突破了传统工艺界限的NS1工艺扩大了铁氧体磁铁的形状自由度,还能满足特殊薄型形状的要求。TDKFB13B/ FB14H 材料运用材料技术、过程技术等核心技术,同时实现了薄型化和高性能化,大力促进各种电机和执行器等的小型化与高性能化。

三、东磁高性能永磁铁氧体材料开发进展

2000年以来,东磁公司一直致力于高性能永磁铁氧体的研究开发和批量生产。在引进国内外材料技术专家的指导下,很快就顺利研制出相当于日本TDK公司FB6系列牌号的产品(性能指标见表5)2002年就成功实现了批量化生产,目前已成为公司永磁部门主要的经济增长点。

5 东磁公司DM4240系列永磁铁氧体材料牌号性能指标

东磁牌号

Br(Gs)

Hcb(Oe)

Hcj(Oe)

(BH)max(MGOe)

相当于TDK牌号

DM4240

4100~4300

3550~3850

3850~4150

4.0~4.4

FB6B

DM4045

3900~4100

3300~3750

4300~4750

3.7~4.1

FB6H

DM3850

3700~3900

3500~3800

480~5100

3.2~3.6

FB6E

DM4433

4300~4500

3100~3400

3150~3450

4.4~4.8

FB6N

随后我公司研发人员在DM4240牌号材料配方基础上,通过科学配方掺杂和生产工艺优化,于2005年在实验室成功开发出具有完全自主知识产权的DM4545材料(相当于TDK公司FB9B材料)。在此基础上后来又陆续开发出相当于TDK公司FB9系列的DM4545系列材料牌号,其主要性能指标如表6所示。相关技术已申请国内和国际发明专利并均已获得授权。目前我公司DM4545系列永磁铁氧体材料各牌号产品均以成功实现批量生产,有力地占据了永磁铁氧体材料的技术高地,极大的提升了公司永磁铁氧体磁体的市场竞争力。与DM4240磁体相比,采用我公司DM4545材料牌号磁体做成的汽车电机,在同样的退磁条件和工作温度下,磁体厚度可减少19%,体积缩小25%,因而进一步拓宽了其在中高档电机中的应用。

6 东磁公司DM4545系列永磁铁氧体材料牌号性能指标

东磁牌号

Br(Gs)

Hcb(Oe)

Hcj(Oe)

(BH)max(MGOe)

相当于TDK牌号

DM4545

4400-4600

4000-4400

4350-4650

4.6-5.0

FB9B

DM4350

4200-4400

3700-4100

4850-5150

4.2-4.6

FB9H

DM4636

4500-4700

3200-3600

3350-3750

4.6-5.0

FB9N

2007年以来,随着日本TDK和日立公司先后推出12系列永磁铁氧体材料牌号,东磁公司积极应对,迅速组织技术力量进行项目立项攻关,形成DM4748高性能永磁铁氧体系列材料牌号。目前我公司DM4748系列材料的(含正在研发的)主要包括三个牌号,其主要技术性能指标如表7所示。其中DM4550材料已经于2008年底开发成功,顺利通过公司内部实验室设计定型,随后已小批量投放市场,并在2010年十月顺利通过省级新产品鉴定;DM4654材料实验室基本达到项目要求水平,将于近期进行实验室设计定型;DM4748材料正在努力开发中,并已经取得一定的进展。

7 东磁公司DM4748系列永磁铁氧体材料牌号性能指标

东磁牌号

Br(Gs)

Hcb(Oe)

Hcj(Oe)

(BH)max(MGOe)

相当于日本公司牌号

DM4550

4400-4600

3800-4200

4800-5200

4.6-5.0

日立公司NMF12G

DM4654

4500-4700

4110-4490

5210-5590

5.0-5.4

TDK公司FB12H

DM4748

4600-4800

4110-4490

4610-4990

5.2-5.6

TDK公司FB12B

四、结语

近年来,随着人们生活水平的不断提高,汽车、各种高档家用电器大规模进入千家万户,这给高性能永磁材料带了巨大的市场机会。与此同时,由于近两年随着国家稀土政策的变化,稀土永磁材料价格暴涨。迫于成本压力,下游电机厂商纷纷尽可能的使用高性能永磁铁氧体材料替换价格高昂的稀土永磁材料。因此,在未来较长的一段时间内,高性能永磁铁氧体材料将获得巨大的市场发展机会。同时这也对永磁铁氧体材料提出了更高的要求,笔者认为未来永磁铁氧体材料技术发展前景主要包括以下几点:(1) 高性能永磁铁氧体材料配方研究,力争在现有工艺基础上,利用科学掺杂、新元素取代,开发出具有更高综合磁性能的优良配方;(2) 永磁铁氧体材料生产工艺革新研究,通过较大幅度的优化现有生产工艺,进一步提高现有产品的性能和批量一致性;(3) 高性能永磁铁氧体材料产品研究,主要是利用现有的高性能永磁铁氧体材料,开发出满足客户特殊要求的产品和器件。

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