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未来三五年钕铁硼发展

发布时间:2019-05-10 浏览次数:193

 近十年内中国钕铁硼磁体产业取得了长速发展,扩产势头不减,年产千吨的大企业越来越多且都有扩产计划。面对如此强劲的发展势头,我们禁不住要问:中国钕铁硼和世界水平相比到底在哪个层次?还有哪些问题?将来向什么方向发展?

 带着这些问题,近期我们走访了宁波地区的宁波多家磁业公司,感触很深,对中国未来3~5年内烧结钕铁硼的发展有一些看法,在这里与广大读者共享,权当抛砖引玉。

1 钕铁硼企业管理模式的改变与技术并重

以往我们钕铁硼企业比较重视技术进步,把性能提高看作企业发展的关键。在过去由于我们与国外相比性能相差太远,所以性能如何成为制约企业发展的关键。没有高的性能我们就没有订单,所以过去的做法并没有错。但是到今天,我们的钕铁硼骨干企业基本在性能上都能做到N45、45M、42H、40SH、35UH、 32EH等,有些企业甚至可以做到N50、48M、45H、38UH、35EH等,仅从性能上讲基本与世界水准持平或略低,起码已经到中上水平。而实际上 N50之类的高性能订单并不是太多,大多数订单在45M及以下的档次上,因此现在的关键是"性能做稳定,产品内在品质好,及时交货并且价格低"。而要达到上述几点,企业内部的管理将是重要的一环。
   我们认为中国的钕铁硼企业大致可分为三类:(1)民营企业、(2)真正合资企业、(3)国有及类国有企业。之所以使用"真正合资企业"的说法,是因为某些企业虽然名义上为合资企业,但实际管理上为传统国有企业的一套管理方法。这样的企业在钕铁硼行业中并不在少数。通过拜访,我们发现民营企业的管理效率最高,而且各家都有自己的管理及产品特色。民营企业管理效率较高本来是在情理之中的,但如此之高仍然使我们大吃一惊。仅以两个较有代表性的企业为例,它们的年产量在500到600吨之间,设备维修部仅有6个人(3个电工,3个机修)。而一般国有及类国有同样规模的企业,设备维修部的人数在 15~25人之间。不仅是人数少,而且在设备维修效率上民营企业要远远高于国有及类国有企业。如果我们用20个人干6个人同样的工作,那么竞争之中孰赢孰输显而易见。之所以能够用6个人干20个人的工作,是因为以下三点:(!)一般维修由生产班组长自己完成,设备维修部人员仅仅负责大修,设备维修费与生产部挂钩;(2)部件替换维修法;(3)空余时间设备维修部人员改造旧设备并制造新设备,同时负责新设备的安装等。第一点使操作人员更加珍惜设备,大大减少由于误操作而造成的设备损坏,减少了设备维修的次数与成本。第二点做法是把损坏部件直接换下来,装上好部件,生产继续进行,同时维修损坏部件。这样维修占用很少的生产时间,大大提高设备的利用率。完成第三点就意味着可以根据使用情况,使设备设计上得到改善,更适合于本公司的具体情况,从而减少维修。如果部分设备由自己制造,则维修人员对设备的情况极为熟悉,有利于维修。以上仅仅为一个实例,从根本上来讲关键是思想的转变和制度的变革。当然,如果让国有企业或类国有企业完全按照民营企业的一套来办,显然是幼稚的,而且是行不通的。不过国有企业或类国有企业完全可以参照民营企业的一些办法进行改革,我们认为这不仅可能,而且一定能够成功。记得在太原某公司的一位老总说过这样的一句话"现在是以小吃大,以快吃慢"。我们相信这并非虚言。如果许多大企业仍然是国有企业传统的一套管理办法,这种局面用不了多久就会出现。依我们的观点看,我们也想说一句话:"现在是以有特色吃无特色,以高效率吃低效率,以低成本吃高成本"。我们的特色在于高效率,较高牌号的产品等。

 实际上所有的钕铁硼企业都有许多共同之处,应该在管理上有许多通用的规则,在这里我们提出几点,供大家参考。
        1.1生产各工序实行"联产承包制":联产承包制并非什么新的办法,实际1978年在我国的农村就已经开始推广。20多年过去了,事实证明这种办法在农村是成功的,而在钕铁硼行业的许多民营企业中正在成功地推行这种办法,所以在国有或类国有企业及合资企业中,这种办法对于提高工作效率、保证生产质量、降低成本等都应该是有效的。原因很简单,因为工作的业绩与收入捆绑到了一起,真正体现了"多劳多得"的原则。可以按熔炼、制粉(包括中碎、气流磨等)、成型、烧结、质检、后加工、包装等分组承包。

1.2完善"各工序的自检与他检":如果要采取联产承包制,必须加强自检与他检,否则我们会仅仅强调数量而忽视质量。每一工序必须有自检质量及数量报告,同时必须得到下一工序的他检认可方可进入下一工序,质检部门作为仲裁单位将在保证质量方面发挥越来越大的作用。

1.3 生产设备日常维修与设备部脱钩:基本的日常设备维修应由承包人自己完成。如果承包人没有能力完成,应该采取与维修工联合承包的方式或日常维修人员一定要隶属于生产车间,并且不是全职维修工。较大公司的设备部应有2~3名专职人员,配合研发与生产负责设备改造、大修、安装并调试新设备、制造新设备等工作。
我们强调管理的重要是因为如果管理跟不上,即使再好的技术和产品性能仍然不能保证我们在激烈的市场竞争中取胜。我们可以说今天已经到了要强调管理的时候了!但这并不意味我们的技术已经达到完美,在技术方面我们仍然有许多工作要做。

2 钕铁硼技术发展方向
   对于钕铁硼的认识,单单从知识角度讲,中国人比日本人、美国人、欧洲人等都不差,实际上所谓的技术进步在今天来讲至少有90%是设备的进步。从下面的论述中我们会看到,我们有许多工作要做。

2.1    熔炼

2.1.1带铸工艺

带铸工艺又称速凝薄片工艺。这种工艺最早由日本的饿三德金属(仅提供速凝薄带,不生产磁体)与住友金属采用并获得专利权。带铸工艺的特点在于有效地消除了 α-Fe、富钕相分布均匀并使晶粒得到细化,容易得到高剩磁及高矫顽力的产品。中国的钕铁硼磁体厂家在1997年前后开始知道此信息并展开研究工作。经过 5年多的努力,中国的设备厂家已经在这方面取得了长足的进步。现在不仅有25kg的甩带炉,而且50kg和100kg的甩带炉都已经市场化。但是就带子的一致性上来讲,与三德金属相比还有相当的差距,自由面凹凸不平的现象很严重。刚开始时的主要问题是带子厚度问题,那时将带子厚度甩到大于0.2mm很困难,存在大量的非晶,很难用于烧结钕铁硼。现在几个主要厂家的带子厚度都能够做到0.3mm以上,有的甚至可到0.5mm,除了带子一致性不好外,粘连问题亦是一个影响质量的重要问题。图1给出某厂家的产品(有粘连现象)(横截面金相),可见大量的α-Fe析出;图2是另一厂家的带子的金相,带子厚度在 0.3~0.5mm,柱状晶晶粒宽大,大部分柱状晶宽度在15~30μm之间,无α-Fe析出;但富钕相分布不太均匀。图3为日本三德金属的速凝薄带,大部分柱状晶宽度在3μ左右,无α-Fe析出,富钕相分布均匀。由三张金相照片可以清楚地看到目前的差距。

如果对我国目前的甩带情况下一个结论,则是:可用,但不太令人满意。我们认为除了要解决均匀性、一致性的问题以外,同时亦要解决产量与效率的问题。在未来3~5年内,设备厂家应该能够提供 500~1000kg的甩带炉。现在我们甩带炉的高度不够,至少要在10~15m高才能够有足够的空间和薄带冷却时间。如果速凝薄带合格,则带铸工艺应该说是最简单的工艺之一(配方单一,中碎及气流磨效率高,其余与传统工艺无明显区别),因此在中国推广的可能性也最大。

2.1.2. 双合金工艺或类双合金工艺

除了速凝薄带的工作以外,我国大多数厂家的精力放在降低铸锭厚度,提高冷却效率上。在降低铸锭厚度方面已经能够广泛采用双面水冷厚10mm铸锭的工艺,也有采用100kg转盘式单面冷浇注(厚15mm左右)工艺的厂家。有的厂家采用了盐水冷冻液冷却熔炼炉锭模的方法。所有这些方法对我们提高磁体性能都做出了积极的贡献。但是我们也应该看到,这种思路几乎已经没有太大的发展空间(浇口不可能更窄,锭模不可能更大;转盘式铸锭厚薄不匀,表面难以打磨),我们需要换一下思路。双合金法应该是一条可行之路。非常遗憾的是在过去的若干年里中国的钕铁硼厂家大多数没有对双合金法给予足够重视。双合金法并不是什么玩意,我们早就有所知,而且其优点也是显而易见的。如果采用双合金法我们将不需要炼几十种不同配方的锭子,只要有几个主相合金和几个富钕相合金就可以得到所有性能的磁体。德国的VAC及日本的日立金属等采用这种方法得到了性能优异的烧结钕铁硼磁体,而且其产品性能一点都不比住友采用带铸法的产品差。我们现在的普遍做法是把锭子设法作薄,而双合金法并不太在意锭子的厚度,相反,由于要经过均匀化处理,所以过薄的锭子反而易造成氧化(因为锭子越薄表面积越大)。我们认为在目前中国宜采用200~500kg的熔炼炉来炼这种锭子,否则其优点(均匀性、一致性优于25kg炉,效率高等)难以显现出来。均匀化处理是双合金法的关键一步,实际上经过均匀化处理的锭子亦可以用于单合金法,我们在这里把它叫做"类双合金法"。这种方法已经被国内许多厂家用来生产高性能的产品。但是我们认为如果仍然用25kg的熔炼炉,则这种方法的潜力未能充分发挥。总之,对于熔炼我们应向两极发展:或者更薄,或者更厚。

2.1.3 离心甩铸法

这种方法是将盛有合金熔液的坩锅置于旋转的金属筒中,当合金熔液倒下时,由于离心作用,熔液贴在金属筒壁上迅速冷凝。这是一种界于甩带法和传统锭模浇注法之间的一种方法,其产品厚度小于10mm,性能优良,效率高,很有发展潜力。

2.2中碎

2.2.1氢爆碎工艺(HD)

这也不是什么新的东西,而且从确切意义上讲,它不应该单独被称为一种工艺,它只不过是我们生产中的一步。它即可以用于甩带料,亦可以用于普通铸锭,同时也可以用双合金法。对于其工艺我们都已比较熟悉,主要是由于设备的原因,将HD法用于批量生产推迟了至少3年。现在氢爆设备的国产化的雏形已经完成,预计在最近三年内至少有一半的中国烧结钕铁硼生产将利用HD工艺。可喜的是,据我们所知,目前至少已经有三家企业将HD用于批量生产。通过采用HD可以提高气流磨效率(50~80 kg/h),改善磁体微结构,大大提高抗蚀能力(例如我们某产品在PCT实验箱中120℃,0.2MPa,168h后失重仅8mg/cm2)。图4为HD 工艺所得产品的金相照片,晶粒大小在10μm左右。

2.2.2改进后的类锤磨设备

现在大多数公司已经采用两步中碎法,即鳄破或粗锤破+锤磨。这样就甩掉了对辊、带筛球磨、锥磨等设备,节省了时间提高了效率。一般一台设备每小时能够处理 200kg左右的锭子,粗粉粒度可到50~100目之间。这种设备的效率是提高了,但存在如下两个问题:一是粒度分布太宽,细粉太多;二是故障率太高。第一个问题在两种设备中都存在,第二个问题主要存在在锤磨中。磨腔中卡机的问题时常发生,而且维修起来需要拆掉整个磨室,很不方便。在未来的两年内应该能够解决这些问题。

2.3气流磨

我国的气流磨基本上都是模仿德国细川阿尔派的设计。虽然有些厂家自认为对气流磨做了改进,而且在自造气流磨,但大多数改进是毫无理论依据,而且效果也并不好。当然也不排除部分厂家在此方面已经取得了成功。我们认为我国气流磨目前存在的问题有三点:(1)超细粉太多,粒度分布太宽;(2)管壁粘料现象严重;(3)出料速度慢。如果超细粉多,则磁粉易着火;如果管壁粘料严重,则易出现大颗粒;出料速度应达到60~80kg/h才有可能降低稀土总量并防止氧化。解决这几个问题的办法在某些厂家已经找到,估计用3年左右的时间会在全国推行。

2.4 成型

2.4.1半自动压机成型与手捧模成型并重

我们在考察中发现宁波地区半自动压机成型远远多于太原地区,太原地区基本上都是手捧模(手动模、手扒模)成型。当然,这与生产规模有关,。生产规模越大,订单越大,越有利于使用半自动压机。我们这里所发现的问题是:有些相当规模的企业居然没有半自动压机,而有些较大的企业基本上已经抛弃了手捧模。我们希望看到的局面是两者并重。半自动压机效率高,但产品易开裂,模具制作成本高、时间长;手捧模模具制作容易,对于压φ3~φ10mm的柱子及异型产品(如圆环、圆筒等)有独到之处。

2.4.2平行压压机

实际上钕铁硼刚开始生产时使用的是平行压压机,而后来在中国基本上都改为垂直压。平行压产品Br低,由平行压改为垂直压毫无疑问是一种进步。一般情况下,同样的料采用垂直压剩磁要增大0.03~0.05T(300~500G),磁能积增大24~40kJ/m3(3~5MGOe)。但是现在情况不同了,我们很容易就可以把剩磁做到1.35T左右,而且在许多情况下我们并不需要如此高的剩磁。考虑到平行压在柱形(外圆很圆,磨削量小)及异型(例VCM)产品时的优势,我们预测在近几年内平行压压机将有一个的大发展。

2.4.3径向定向压制

垂直压压机很适合径向取向的圆柱或圆环产品,对于大尺寸产品当然没有问题;但对于小尺寸产品如果不采用多穴模具则效率太低。模具制造本身不是什么问题,问题是如何往多个平行的穴中均匀填料。一种解决办法是采用手捧模,这仅仅能够部分解决问题;另一种是采用全自动喂料系统。

2.4.4多极定向压机

多极定向产品的应用越来越多,所以在未来的几年中,多极定向压机将有一定的问题。

2.4.5单片压

中国钕铁硼企业基本上都是先得到烧结毛坯,然后切片或线割到成品,而在国外单片已经是很成熟的工艺了。例如VCM磁体可用单片压,仅需磨上下两面即可,节省材料、效率高、成本低。一般单片压都是平行压并采取单向压机及自动喂料。待平行压过关后,估计单片压很快会成为现实。

2.4.6注射成型

注射成型本来是制作粘结磁体的一种常规方法,现在被移植到烧结磁体中,有人称之为"一次成型无需后加工的近净尺寸烧结磁体"。工艺路线如下:磁粉+粘结剂并混合→(磁场中)注射成型→脱粘结剂→烧结+时效。它的优点是无需后加工,而且对复杂形状的产品尤其有优势。关于这项工作,中国目前的研究主要在高校,用于生产至少要4~5年的时间。

2.4.7橡胶模等静压技术(RIP)

RIP(Rubber Isostatic Pressing)早在五六年前就已经出现,但实事求是地讲,当时的设备只不过是一种概念性的实验设备而已。它的基本步骤如下:磁粉装入橡胶模→脉冲磁场定向→准等静压压制→取出压制毛坯。在过去的几年中,认识上有了进步,同时设备上亦有了改进。我们现在已经能够用这种方法批量生产钕铁硼永磁体,一台压机每天可压200~300kg磁粉。由于采用高的脉冲定向磁场,所以磁粉的取向度高,一般情况下剩磁可较模压提高 0.03~0.04T(300~400G)。目前国内已经有厂家可以提供这种压机,但非全自动,而是手动。从运行的情况看,手动压机并不比全自动的压机效率低。日本的RIP压机价格太高,在最近几年内不可能在中国大多数企业中推广,但国产手动RIP压机有可能得到推广。

2.4.8自动喂料系统

我国目前还没有全自动压机,主要问题就是没有自动喂料系统。如果没有自动喂料系统,则平行压中的多穴圆柱、垂直压中的多穴径向定向及单片压等都非常困难。与自动喂料系统相配套的是自动移取压制毛坯与码盘技术,最好两种技术同时采用。过去遇到的主要困难是磁粉流动性差,所以很难用容积法自动喂料。而今天大多数厂家已经采用润滑剂技术,磁粉的流动性已得到明显改善,使用自动喂料的时机已经成熟。另外,我们对减重法的认识也已今非昔比,所以自动喂料的全自动压机应该在最近的2~3年内出现。

2.5 烧结

2.5.1三点控温烧结炉

大约十多年以前我们进口ABAR和VES烧结炉,然后许多厂家仿造了这两种炉子。当时的这两种炉子仅仅是一般的热处理炉,并非为钕铁硼专造。它们的最大缺点是一点控温,所以烧结炉内炉温的均匀性很难调节。经过十多年的发展,中国的烧结炉制造厂家已经完全掌握了专门用于烧结钕铁硼的烧结炉制造技术,而且现在都是三点控温。可以肯定地说,我国自己制造的烧结炉与国外的已无甚差距,而且由于专门针对钕铁硼厂家仍然在使用过去一点控温的烧结炉,预计在最近3年内一点控温的烧结炉大部分将被淘汰,取而代之的将是三点控温的烧结炉。

2.5.2分压烧结炉

我们现在基本都是使用真空烧结炉,烧结过程在真空中进行。国外许多厂家采用分压烧结,也就是说在烧结过程中充入少量氩气,但仍保持负压。从理论上讲,由于分压烧结的热传导优于真空烧结,所以烧结时的温度一致性好,而且可以节省烧结时间。这种新型烧结炉已经出现,到底效果如何经过至少两年的考验。

2.5.3连续烧结炉

住友等国外大公司都是采用多室连续烧结炉,它的优点在于炉温均匀性、一致性好,节省能源,效率高。过去我国有些厂家曾经尝试过制造这种多室连续烧结炉,但以失败而告终。究其原因,主要是闸板阀不过关,烧结炉漏气,产品被氧化。现在已有厂家准备生产3室或5室烧结炉。我们认为至少要采用7室炉。烧结过程将包括下列各室:(1)预备室;(2)200~300℃脱添加剂室;(3)850℃左右放气室;(4)烧结室1;(5)烧结室2;(6)烧结室3;(7)气淬,进一步冷却并出炉室。烧结需要三室是因为整个工艺为连续运行,需要每一步有大致相同的时间。如果加上时效,则需要另加2~4室,共9~11室。

2.5.4微波烧结炉

已经有一些研究单位开始研究将微波烧结用于钕铁硼生产。从原理上讲,微波烧结有利于炉心磁体与炉边磁体温度的一致性,同时大大缩短烧结时间,节约能源。目前得到的信息是烧结时间可以缩短到1h。但是这种烧结炉基本上还处于研究阶段,广泛推广至少要4~5年时间。一旦成功,这将是一种革命性的变革。

2.6 后加工

2.6.1切片粘结剂

我们目前所用的切片粘结剂不是502就是火漆。这两种粘结剂在切完片后,都需要碱水或洗衣粉水煮。在煮的过程中经常造成磁体表面不同程度的侵蚀及磁体能受影响。我们现在需要一种粘结剂,不溶于切割时的冷却油,但溶于水或其它有机溶剂或略加热就可去掉。如果能够研制出这种粘结剂,预计将会有很大的市场。

2.6.2双面磨床

我们一般使用无心磨磨外圆,使用立磨磨平面。毫无疑问,无心磨磨外圆很成功,但用立磨磨平面时用电磁铁固定工件,这就造成磁体磨完平面后带弱磁,需要退磁后才能电镀。退磁既浪费能源又有可能使磁性能受到影响,所以必须抛弃这种磨平面的方式。国外一般磨平面采用双面磨,或水平双面磨或立式双面磨。不论水平双面磨还是立式双面磨,基本原理都一样:用卡具卡住工件,然后用对称的两个金刚砂轮同时磨上下或左右两个平面。我国已经出现类似的双面磨,主要用于磨切片后的产品。这种双面磨无须卡具(但有导轨),效率很高,适合于小产品。对于50.8×50.5×25.4mm之类的大块,无卡具双面磨目前也已见到应用,但在磨第五、六面时出现垂直度问题,所以无卡具双面磨不太适合于大块产品。已看到广告声称能够生产用于磨大块的双面磨,估计推广开来尚需时日。

2.6.3电镀

经过十几年的发展,我国的钕铁硼电镀有了很大的进步。现在不仅可以电镀 Ni,Cu,Zn,Au,而且可以电镀Ni-Cu-Ni,彩Zn,Sn等。但是电镀问题仍然层出不穷,由于电镀而造成的退货时有发生。根本原因在于我们没有摆脱溶液镀的老路。现在世界上有三种无液镀值得钕铁硼厂家考虑,基本上都属于气相淀积涂敷。(1)气相淀积镀铝:在日本技术已很成熟,住友许多产品采用此种镀法;在国内南开大学化学系的张守民博士进行过这方面的研究工作。(2)派瑞林(对二甲基苯Parylene)淀积涂敷:派瑞林为对二甲基苯的聚合物,原料为二聚对二甲基苯。派瑞林真空气相淀积可精确控制涂层厚度,对磁体本身无任何影响(电镀层对磁体磁性略有影响),无挂点(相对电泳涂敷而言),不怕磁体气孔、砂眼,具有极好的抗盐雾能力。根据我们的经验,派瑞林镀层抗PCT的能力较差。目前上海三吉特殊涂敷科技有限公司及日本岸本贸易两家在试图做这方面的工作。我们认为他们的主要目的是推销原材料,关于将派瑞林真正用于钕铁硼产品涂敷的工作做得不够。(3)气相淀积镀锌:A将钕铁硼磁体、金刚砂、锌粒(100目)及锌粉(6~8μm)混合并装入反应器中。B.将反应器抽真空到133Pa.。C.加热到390℃(锌的熔点)左右。D.根据希望的厚度保温若干小时。沉积镀中无需翻动磁体。文中报道其抗蚀能力高于电镀Ni、电镀Zn及气相沉积镀铝。

3 钕铁硼市场方向

中国钕铁硼磁体市场的结构近几年发生了很大的变化,1995年以前主要是低档磁体,用于扬声器、磁分离器、磁耦合器和各类磁化器等。我们估计在未来的 3~5年内中国的烧结钕铁硼将大规模进入VCM、汽车电机、MRI等高档磁体应用的市场。我们期待着中国烧结钕铁硼一个灿烂的明天。

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