【省鏑脫鏑磁鐵】(二) 主流的釹磁鐵研發取得大幅進展

目前的主流產品——釹磁鐵也不甘落後，現在正加快步伐解決省鏑化課題。其成果也開始顯現，日立金屬NEOMAX公司業務部企劃部長兼技術部長諏訪部繁和認為：「2013年日本的鏑消耗量將比幾年前減少一半。」

鏑消耗量減少的原因除了經濟低迷之外，還有兩大原因。一是隨著磁鐵用戶對馬達設計的改進，以及要求過高問題的解決，鏑含量低的產品及鐵氧體磁鐵逐漸在取代傳統的釹磁鐵。另一個原因是磁鐵廠商的鏑削減技術日益進步。

下面將主要圍繞第二個原因，介紹一下釹磁鐵的省鏑脫鏑化路線圖，為了避免讀者產生誤解，在此之前筆者打算介紹一些背景知識。最近經常會看到「無鏑」兩個字，這種說法需要注意。

如圖1所示，目前市售的釹磁鐵的鏑含量按重量比例為0～10％，範圍非常廣泛。因此，就算同樣稱為無鏑，比例從1％減至零和從10％減至零，難度是完全不同的。通常說的「無鏑」釹磁鐵指的是將此前為1～2％的添加量減至零的釹磁鐵。因此，準確地說，這種「無鏑」技術其實只是把添加的鏑的重量比減少了1～2％的技術。

通過積累此類技術和改進馬達設計，快速減少鏑添加量，是釹磁鐵向省鏑脫鏑化發展的最有力途徑。具體而言，目前鏑含量為6～10％的HEV及EV驅動馬達用釹磁鐵，將在2014～2015年之前使鏑添加量大幅減至1％。

信越化學工業公司董事兼電子材料業務本部業務本部長松井幸博表示，釹磁鐵減少鏑的用量有兩大方法，分別是［1］晶體顆粒微細化和［2］採用晶界擴散法（參見後文）。他介紹說：「通過晶體顆粒微細化有望將鏑含量削減1～2％左右，採用晶界擴散法有望削減2～3％左右。合計計算，約可減少5％。」釹燒結磁鐵廠商正在以這兩種方法為武器減少鏑用量。下面首先介紹一下晶體顆粒微細化。

TDK將粒徑縮小至5μm以下

TDK公司從2012年12月開始量產通過將原來為5μm～10μm的磁鐵晶體粒徑縮小至5μm以下（具體尺寸未公布）來實現無鏑化的新產品（圖4）。縮小晶體粒徑就能提高耐熱性，這是很早以前就為業界所知的道理，該公司稱，因為需要在生產工藝中進行嚴格的管理，所以製造起來並不簡單。

圖4：TDK將晶體粒徑微細化至5μm以下左為開發品，右為原產品。原產品的晶體粒徑為5μ～10μm，開發品縮小至5μm以下。

釹燒結磁鐵需要粉碎釹鐵硼合金原料，在高磁場中衝壓成型，再進行燒結，然後通過切割和研磨，加工成需要的形狀。縮小晶體粒徑後，就必須在粉碎工序及操作處理時進行嚴格的管理。而且，因為表面積增加，微粒變得易燃，所以還必須在惰性環境中進行非常嚴格的管理。TDK表示將在可靠性較高的低氧工藝中生產。

TDK從2012年12月開始量產的產品名為「Dy Free NEOREC47HF」，用於硬碟致動器等用途。目前TDK還銷售鏑含量為2％的「NEOREC47H」。該產品與新產品均具備矯頑力為1400kA/m左右的性能，價格也相當。TDK磁性產品業務部商品企劃部部長矢島弘一表示：「NEOREC47H是TDK的釹磁鐵當中銷量最大的產品。打算以無鏑新產品取而代之。」

在省鏑釹磁鐵領域，還有一家憑藉自主開發的微細化技術涉足該市場的企業，那就是Intermetallics Japan公司。該公司是由日本大同特殊鋼公司、三菱商事公司、美國資源企業摩力科帕公司（Molycorp）共同出資，於2012年1月成立的釹磁鐵產銷企業。

IMJ預定採用由釹磁鐵的發明者佐川真人擔任最高技術顧問的Intermetallics公司開發的新的製造工藝「PLP（Press Less Process）」，從2013年1月開始量產。IMJ稱，2013年4月以後上市的HEV或EV（或二者）使用的驅動馬達已確定採用這種釹磁鐵。

PLP是在填充有氮氣（N2）的管狀生產設備內製造釹磁鐵，因此，即使以微細化的晶體為原料也不易發生氧化等反應。製造時，首先在利用高速氮氣氣流將試樣粉碎的氣流粉碎裝置中將合金原料微細化至約3μm，然後在氮氣環境下將合金粉末送至模具中。接下來，在不衝壓的情況下直接施加強磁場，以統一磁化方向，並在約1000℃的真空狀態下進行燒結。

Intermetallics開發的PLP技術是使用氬氣作為填充管狀生產設備的惰性氣體，使用氦氣作為氣流粉碎裝置使用的氣體，但IMJ為了在量產工藝中降低成本，將這些氣體改成了氮氣。

模具按照磁鐵的形狀，採用近淨尺寸成型（Near Net Shape）方法加工而成。因此，不需要普通釹燒結磁鐵所需要的切邊加工（圖5）。IMJ代表董事社長野田俊治說道：「材料的成品率很高，所以我們認為這種磁鐵在成本方面也具有優勢。」

圖5：IMJ採用PLP新工藝量產的釹磁鐵

由於磁粉放入模具中燒結，因此加工成了近淨尺寸。因不需要切削加工，材料成品率很高。

IMJ目前共準備了三個產品系列，如圖6所示，左邊的系列為標準品，中間是對標準品進行鏑晶界擴散製造而成的產品，右邊是對標準品進行鋱（Tb）晶界擴散製造而成的高性能產品。關於合金原料中的鏑添加量，三個系列全部相同，標有48的產品（「S48」、「G48H」、「G48UH」）約為1％，標有42的產品（「S42SH」、「G42UH」、「G42Z」）約為4％。

圖6：IMJ的釹磁鐵的特性

除了標準品系列之外，還有鏑晶界擴散系列以及鋱晶界擴散型高性能系列，共有三個系列。

還打算推出HEV/EV用無鏑釹磁鐵

提高矯頑力方面，TDK的產品為5μm以下，IMJ的產品約為3μm，μm級別是主流，但也出現了微細化至比兩家公司的釹磁鐵小一位數即約0.2μm的產品。前面介紹的釹磁鐵全部為燒結型，但晶體粒徑約為0.2μm的產品是通過熱擠壓製造而成的。該產品由大同特殊鋼公司的子公司大同電子公司開發。

大同電子的釹磁鐵是採用超快速凝固法來製造磁粉的，這是一種使融化的合金原料滴落至高速旋轉的滾筒表面並使其在瞬間凝固的方法，所以很容易實現微細化（圖7）。磁粉原料從美國的Molycorp Magnequench公司購買。對這樣製造出的磁粉施以熱衝壓及約800℃溫度下的熱擠壓處理，就能加工出環狀磁鐵。大同電子已經開始銷售採用該方法製造的用於汽車電動助力方向盤及伺服馬達的環狀磁鐵。

圖7：基於熱擠壓的釹磁鐵工藝

使融化的合金原料滴落至高速旋轉的滾筒表面，使其瞬間凝固，因而可製造出非常微細的薄片。通過熱衝壓和熱擠壓加工將這些微粉末加工成環狀。

大同電子以這種晶體粒徑的微細化為基礎，通過進一步調整磁鐵的原料構成比例提高了矯頑力。該公司稱：「對理論上的比例值稍作改動就能提高矯頑力。」於是，該公司在不添加鏑的情況下使磁鐵的矯頑力達到了此前添加2～3％的鏑才能實現的程度，從而開發出了採用這一構成比例的「NEOQUENCH-D」新系列（圖8）。共有「NEOQUENCH 45HF」、「NEOQUENCH 43SHF」及「NEOQUENCH 40SHF」三款產品，以40SHF為例，雖然矯頑力達到了與鏑含量為2.2％的現行「NEOQUENCH 35SH」基本同等的1600kA/m左右，但剩餘磁通密度卻實現了比35SH高0.05T的約13T。新系列被用作工廠自動化（FA）設備用馬達的環狀磁鐵，目前已進入量產階段。

圖8：通過熱擠壓加工製造而成的無鏑環狀釹磁鐵新產品

共有三款產品。被FA設備馬達採用的「40SHF」具備與鏑含量為2.2％的「35SH」基本同等的矯頑力，但剩餘磁通密度卻達到了比後者高0.05T的約13T。

大同電子還以相同材料為基礎開發出了板狀磁鐵（規格未公開）。這種磁鐵分為無鏑（也不含鋱）型和省鏑型。通過添加鏑來提高矯頑力的省鏑型產品已被用於家電用馬達。而且，該公司還打算向HEV及EV的驅動馬達推廣無鏑型板狀磁鐵。據稱，目前該公司正與汽車廠商進行合作開發，力爭2015年配備於汽車。

通過兩種方法使鏑添加量減少5％

日立金屬公司開發出了使晶體粒徑微細化之後再採用晶界擴散法的省鏑釹磁鐵，並已經開始向汽車廠商提供樣品。這種磁鐵的鏑含量約為1％，矯頑力約為2000kA/m。也就是說，性能與目前鏑含量為6％的產品相當。力爭2014～2015年作為HEV及EV的驅動馬達磁鐵配備在汽車上。

普通釹磁鐵是由粒徑為數μm～10μm左右的Nd2Fe14 B構成的晶體集合而成的，晶體之間以名為晶界的相連接在一起（圖9）。人們發現，向該晶界中選擇性地導入鏑，只需很少的量便可大幅提高矯頑力。晶界擴散法正是運用了這種現象。

圖9：向晶界選擇性地滲透鏑

通過從表面進行鏑滲透，可向晶體和晶體之間的晶界部分選擇性地導入鏑。

具體而言，製造釹磁鐵之後，通過從磁鐵表面滲透鏑，向晶界部分選擇性地導入鏑。通過這種方法，可使鏑的用量減少2～3％。

如果鏑的用量可以減少3％，只需添加2％的鏑便可獲得與此前鏑添加量為5％的釹磁鐵同等的矯頑力。如果磁鐵原來需要添加3％的鏑，那麼就不需要為合金材料添加鏑，只需在後處理時滲透少量的鏑進行晶界擴散，即可實現與鏑添加量為3％的磁鐵同等的矯頑力。減少鏑的添加量還能提高表示磁鐵強度的剩餘磁通密度（圖10）。除了日立金屬之外，信越化學工業及TDK也在銷售採用晶界擴散法的釹磁鐵，前面也提到，IMJ也打算從2013年1月開始量產這種產品。

圖10：採用晶界擴散法的效果

採用晶界擴散法之後，可將剩餘磁通密度和矯頑力的平衡提高一個層次。如果保持相同矯頑力，不僅可減少鏑的添加量，還能提高剩餘磁通密度。相反，如果保持相同的鏑添加量，可以提高矯頑力。

日立金屬目前已開始提供鏑含量為1％的釹磁鐵樣品，該產品的矯頑力約為2000kA/m，估計會成為新一代HEV及EV的驅動馬達使用的主流磁鐵。TDK也在開發進一步推進晶體顆粒微細化之後採用晶界擴散法的釹磁鐵。該公司稱，將瞄準HEV及EV的驅動馬達磁鐵用途，爭取從2014年開始量產。

矯頑力為2000kA/m的磁鐵也可實現脫鏑化

以省鏑及脫鏑為目標來提高釹磁鐵的矯頑力和耐熱性的研發今後仍會繼續進行下去。日本物質材料研究機構NIMS流體磁性材料部長寶野和博解釋說，其原因是「運用最新的分析技術，查明矯頑力降低原因的研究正不斷取得成果」。

只要查明矯頑力降低的原因，就能通過消除這種原因來提高矯頑力。目前釹磁鐵的矯頑力才達到理論值的兩成左右，所以技術開發方面還有很大的餘地。實現用於HEV用途、矯頑力達到2000ｋA/m左右且完全不使用鏑的釹磁鐵並不是夢。

因省鏑脫鏑化的進步及全球經濟低迷，目前鏑的需求大幅減少，價格也趨於下滑。從中期來看，還會不斷開發礦山來生產鏑，或許供應短缺和價格高漲的風險會降低。但即便如此，鏑的採購仍存在資源風險，這是不爭的事實。要降低這種風險，勢必要依賴省鏑脫鏑技術。（日經技術在線！ 供稿）