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2014年以来日媒报道本国新磁性材料 事业发展情况

发布日期: 2016-5-19
 

2014年

1.无镝烧结磁铁,日本产综研开发出制造方法

日本产业技术综合研究所可持续材料研究部门以在低热负荷下对微细钕铁硼(NdFeB)粉末进行通电烧结的方法为基础,开发出了不添加镝(Dy)也可保证顽磁力不降低的致密烧结磁铁的生产方法,并确认了这种方法的有效性。相关研究成果已在2014年3月21~23日于东京都目黑区举行的日本金属学会“2014春期演讲大会”上发表。镝是一种稀土金属,绝大部分产自中国。在汽车厂商中,希望不使用镝也能制造出混合动力车及电动汽车用驱动马达的需求增加。
作为高性能磁铁,钕铁硼磁铁添加镝的目的在于改善其高温性能。为了解决镝资源问题,产综研可持续材料研究部门的相位控制材料研究小组展开了研发,目标是使不添加镝也可与以往产品具有同等顽磁性能的钕铁硼磁铁实现实用化。
相位控制研究小组采用的方法是利用产综研的开发成果——脉冲通电烧结机(带伺服加压机构)实施200M~600MPa高加压烧结。加压成型模具一般使用石墨(碳)模具,而此次使用的是适合高加压烧结的“WC-FeAl”成型模具。WC-FeAl是在铁铝合成材料中合成碳化钨(WC)的超硬合金,也是产综研的开发成果。
对构成钕铁硼磁铁微细组织的晶体颗粒实施微细化处理后,即使不添加镝也可发挥同等的磁铁性能。因此,相关研发在大学及企业中日趋活跃。相位控制材料研究小组在作为原始原料的微细钕铁硼粉末方面使用了爱知制钢生产的HDDR-NdFeB粉末“MFP15”。“HDDR”(Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination)是一种利用高温使钕铁硼合金吸收氢气、再使这些氢气(氢原子)作用于钕铁硼晶界使其粉碎成微细粉末的方法。爱知制钢的“MFP15”粉末实现了平均粒径113μm的微细程度。
在制造磁铁时,将“MFP15”粉末在成型模具中注满,利用600~750℃的烧结温度在真空环境中进行通电脉冲烧结。这时,尽管NdFeB粉末实现了相对密度达到99%的致密烧结,但却出现了表示磁性能的矫顽力(Hc)略有下降的现象。作为原料的钕铁硼粉末本来具有14kOe左右的矫顽力,但烧结品的矫顽力却降到了12kOe左右,下降了约10%。
因此,研究小组在居里点(Tc)下的750℃对钕铁硼烧结品实施了10分钟的后热处理实验,获得的数据表明,此时的矫顽力恢复到了原料粉末本来的水平。产综研表示,“今后还将考虑在加压烧结后继续对成型模具加压,从而最终增加后热处理的改进方法”。
产综研指出,利用此次的研究成果,对微细HDDR-NdFeB粉末采用通电烧结法这种低温烧结法,“使细致且矫顽力高的钕铁硼各向异性(结晶高取向)烧结体的制作取得了眉目”。
产综研可持续材料研究部门参与了日本经济产业省实施的未来开拓研究项目“新一代汽车高效率马达用磁性材料技术开发”,此次的研发成果正是该项目的一项内容。(特约撰稿人:丸山 正明)
 

2.恩梯恩开发出磁性和强度业内最高的磁芯,用于高频淬火设备

恩梯恩开发出磁气特性和强度业内最高的磁芯,用于高频淬火设备。这种磁芯是在铁粉表面涂布热固性树脂压缩成形的。该公司内部的设备已经采用,并开始向高频淬火设备厂商及高频热处理加工企业销售。
机械部件一般通过热处理来提高强度和硬度,从而提高可靠性。汽车的驱动轴、曲轴及齿轮等驱动部件大多形状复杂,并且需要加固及加硬特定部位,因此要通过高频感应加热(高频淬火)只对必要部位进行淬火。这就需要在高频淬火设备的加热线圈上安装将线圈的磁力线导向工件表面的磁性材料“磁芯”。以前存在的课题是因磁芯强度低,加工工时长及材料损耗多。
这次开发的磁芯使用粉末冶金用铁粉作为磁性粉末,通过添加热固性树脂制成颗粒,从而在铁粉表面形成绝缘覆膜。另外,通过压缩成形和加热硬化来减少覆膜损坏。从而减少了粉末间的接触。与市售品相比,饱和磁通密度提高了10%,比磁导率提高了30%,铁损降低了15%,达到了业内最高性能水平。另外,径向压溃强度也达到市售品的5倍。径向压溃强度是在压溃环状物的方向上施加力而测得的强度,强度大时,会夹紧磁芯,即使切削也不容易损坏。(记者:浜田 基彦)
 

3.TDK开发出钕含量减半的无镝高性能磁铁

日本TDK开发出了稀土类材料钕(Nd)的含量减半的高性能磁铁,并将在日本电子高新科技博览会“CEATEC JAPAN 2014”(幕张MESSE国际会展中心,10月7日~11日)上展出。
此次新开发的磁铁的最大能量积为40MGOe,居里温度(失去磁力的温度)为300℃。而普通的钕烧结磁铁的这两项指标分别为35~55MGOe和300℃,因此新磁铁具备与之同等的性能。而且,该磁铁也不使用镝(Dy)。
TDK并未公开新磁铁的成分,只介绍说“属于由钕烧结磁铁延伸而来的磁铁”。钕烧结磁铁的成分为Nd2Fe14B。此次通过以其他金属代替钕,并改进晶界构造等,使钕的含量减少了一半。TDK介绍称,取而代之的“并不是铽(Tb)或镝,而是资源枯竭风险及采购风险均较低的元素”。而且,制造工序与现有钕烧结磁铁基本相同。
新磁铁目前尚无量产计划。估计原因是钕的价格还比较稳定,即便其用量减半,也不会在价格上产生冲击力。TDK表示,“为了降低资源采购风险,目前我们正在通过多种方法来研究无稀土磁铁。因为这次取得了不添加镝且钕用量减半的成果,所以才决定在展会上展示”。(记者:中道 理,《日经电子》)
 

4.日本开发出钕含量更低、性能更高的钕磁铁

日本物质材料研究机构(NIMS)2014年10月20日宣布,成功合成出了与目前全球最强的Nd2Fe14B(钕磁铁)相比,稀土元素Nd(钕)的含量减少、磁特性更为优异的新型磁铁,其化学式为Nd2Fe12Nx。
磁特性方面,新磁铁材料的各向异性磁场强度(与丧失磁力的反向磁场强度,即矫顽力成正比)在室温下约为8T(Tesla),饱和磁化强度(向外部发挥磁力的能力)为1.66T(有5%的误差)。各向异性磁场强度超过了钕磁铁的约7T,饱和磁化强度与钕磁铁的约1.6T基本相同。另外,材料温度上升时饱和磁化强度的降幅也比钕磁铁小,因此高温下的饱和磁化强度优于钕磁铁。磁化消失的居里点方面,新材料约为550℃,比钕磁铁的312℃高出200℃以上。这种新磁铁有望用于需要在高温下驱动马达的混合动力汽车(HEV)等。
在这种新型磁铁材料中,Nd的重量比例为17%(Nd2Fe12Nx中的x为1时),比Nd含量为27%左右的普通钕磁铁大幅减少。另外,新磁铁将传统钕磁铁中价格比较高的B(硼)换成廉价的N(氮),因此是一种在资源和价格上都比较有利的化合物。
不过,此次制造的不是块状烧结磁铁,而是薄膜。因此还不能立即取代目前的钕烧结磁铁。今后还要研究磁铁材料的粉末化以及粉末的烧结等课题。
新型磁铁薄膜的制造方法如下。首先在MgO单晶基板上生长晶格间隔与NdFe12化合物相似的钨,利用钨的异质外延生长使NdFe12稳定。然后在氮气中对NdFe12进行加热,合成Nd2Fe12Nx薄膜。薄膜厚度为350nm。(记者:中道 理,《日经电子》)
 

2015年

5.日本大学在铁氧体类材料中取得新发现,有助开发新一代磁存储材料

日本东京大学物性研究所副教授德永将史的研究小组2015年1月13日宣布,与日本产业技术综合研究所、福冈大学、上智大学及青山学院大学合作,在铋铁氧体中发现了以前不为人所知的新方向的电介质极化成分,并验证该电介质的极化可通过磁场来控制。这种电介质的极化在施加一次磁场后会变成与原来不同的状态,去除磁场后也可继续保持状态不变,因此极有望作为非易失性存储材料来使用。而且,这一效应在摄氏27度的室温下仍可观测到。
         
模式化表示的磁矩与新电介质极化成分的关系。X、Z方向分别与结晶的a、c轴平行。        铋铁氧体的结晶中的极化配向的模式图

 

铋铁氧体是化学式为BiFeO3的化合物。其结晶构造与代表性强介电体钛酸钡以及因超巨大磁阻而为人所知的锰氧化物一样,以钙钛矿构造为基本构造。铋铁氧体作为不含铅的强介电体能够拥有较大的自发电介质极化状态,处于强介电体与磁性共存的“多铁性状态”。

 
         

模式化表示的3值存储。在上面显示的3个方向的Q中通过磁场或电场来选择一个,便可表现电介质极化方向以120度变化的3个状态。

     电介质极化的磁场依存性 

 

磁性和强介电性共存的多铁性物质作为未来低功耗存储器件的候补,以前进行过大量研究。但以前发现的多铁性物质几乎都只在摄氏负200度以下才显示出该特性,这一点成为实用化的巨大障碍。而铋铁氧体由于可在室温下以多铁性状态来工作,因此作为新一代存储材料备受关注。不过,要想用于存储,还需要具有磁性或介电性一方变化时另一方也随之变化的性质。此次就成功地确认了该现象。
 
向铋铁氧体的优质单结晶施加强磁场时显示,除了以前已知的、与结晶c轴平行的电介质极化之外,还存在与结晶c轴垂直的电介质极化,并查明这种新的电介质极化成分可通过磁场来控制。而且一旦极化后即使施加钕烧结磁铁可输出的1T左右的磁场,电介质的极化状态也不会改变。此次用强磁场使特性发生了变化,但今后将尝试用电场来控制以便用于实际。以前的报告以及此次的成果已显示出利用电场来控制的可能性。如果利用电场的控制得以实现,那么铋铁氧体将进一步接近成为存储材料的目标。(记者:中道 理)

 

6.电机铁损削减约7成!松下利用新磁性材料实现

 

松下将于2018年度投产使用新型软磁材料“NANOMET”作定子的高效白家电用电机。此次试制的是定子直径约70mm的小型电机,比采用普通电磁钢板的铁损削减了约70%(图1)。

 
对定子直径为125mm、额定输出功率为40W的白家电用电机采用NANOMET时的铁损和效率进行估算得出的结果是,几乎可以实现相同的损失削减效果。 
兼顾高磁导率和高饱和磁通密度
 
图1:铁损可削减约70%
松下用东北大学开发的新磁性材料“NANOMET”作定子,试制了高效率电机(a)。与采用普通电磁钢板时相比,铁损削减了约70%(b)。由此将电机效率提高了6个百分点。并依此结果估算了直径125mm、额定输出功率40W的家电用电机应用NANOMET时的铁损和效率,得出的结果是有望实现同样的损失削减效果。(摄影:松下)
 
 NANOMET是由日本东北大学金属材料研究所教授牧野彰宏等人的研发小组开发的。之所以能削减铁损,是因为其可以兼有高磁导率和高饱和磁通密度。NANOMET的饱和磁通密度为1.8~1.9T,与电磁钢板(硅钢)不相上下,而且可实现比电磁钢板高出一位数以上的磁导率(图2)。
 
图2:通过制成纳米结晶,可兼顾高饱和磁通密度和高磁导率
NANOMET是将铁浓度高的FeSiBPCu类合金熔化,以“骤冷法”使之形成非晶状态,再加热至400℃左右制成的。由合金中所含的磷和铜的作用,在非晶状态下会出现粒径数nm的铁“芽”。加热处理会使这种铁芽形成纳米结晶(a),结果就可兼顾高饱和磁通密度和高磁导率(b)。目前已经可以制造宽120mm的NANOMET(c)。(图(a)和(b)由《日经电子》根据东北大学的资料制作)

 

之所以能够兼顾高磁导率和高饱和磁通密度,是因为发现了可使铁(Fe)的浓度达到90%以上的非晶合金组成,并进而使铁成了纳米粒子。具体是通过以下步骤实现纳米结晶:首先,将铁浓度较高的FeSiBPCu类合金在超过其熔点的约1200℃高温下熔解。接着将其以“液体骤冷法”冷却,形成非晶状态。实际上就是将FeSiBPCu类合金在真空中熔解,并向高速旋转的铜辊喷射。以铜辊来冷却,形成厚度为20μ~30μm的薄带状非晶合金。
 
此时,因合金中含有的磷和铜的作用,会有粒径在3nm以下的铁“芽”出现。这种状态称为“异质非晶”(Hetero Amorphous)。在异质非晶状态下加工成想要的形状,然后实施400℃左右的加热处理,使之形成纳米结晶。
 
NANOMET不含昂贵金属,因此估计量产时的成本可以控制在与以往材料差不多的水平。
 
还能以卷状提供
 
异质非晶状态的FeSiBPCu类合金最初只能制成几mm宽的薄带。之后逐渐扩展到了50mm、80mm,2014年6月增加到了120mm宽,实用化有了可能。并通过改变制造条件等,即便宽度达到120mm,矫顽力和饱和磁通密度等磁特性也不会劣化。
 
通过扩大NANOMET的宽度,除了电机用途外,还可以用于电线杆等安装的大型变压器和家电用电抗器。实际上,东北大学已经利用NANOMET试制了变压器和电抗器(图3)。今后准备扩大适用制品的范围,将导入可制作约170mm宽卷状材料的装置。
 
图3:还将开拓电机以外的用途
NANOMET除了电机的定子外,还可用于输电线的杆上变压器以及白家电用电抗器的核心材料。已经完成试制。

 

松下还准备将其适用于个人电脑和智能手机等数字家电用电感器。在这些用途将提供FeSiBPCu类合金的异质非晶磁粉,而不是NANOMET注1)。
 
注1)利用“雾化法”制作熔解的材料。
 
松下以外的企业也对NANOMET给予了高度关注。牧野表示,将与五大企业合作,在2015年内成立制造NANOMET和异质非晶磁粉的风险公司。(记者:根津祯) ■日
 

 

7.日立金属开发出新型磁芯材料,有助于服务器的小型化和节能化

 
日立金属公司开发出了高频特性出色的锰锌(Mn-Zn)类铁氧体磁芯材料“ML95S”和“ML90S”(图)。新材料在几MHz高频范围内的磁芯损耗较小,可使网络设备、汽车以及智能手机配备的部件实现小型化和节能化。
 
此前也有过在0.5MHz~5MHz的高频范围采用镍锌(Ni-Zn)类铁氧体材料的讨论,日立金属此次通过组合使用粉末控制技术和热处理技术,实现了与Ni-Zn类铁氧体材料相比饱和磁通密度更高、磁芯损耗更小的Mn-Zn类铁氧体材料。这种材料在接近实际使用环境的高温环境下(80~100℃)的磁芯损耗较小,因此可以抑制功耗和发热量。采用该材料后,可使变压器和电感器支持高频化和大电流化,实现网络设备的小型化和节能化。今后,日立金属还计划把这款材料用于汽车电装部件和便携终端。
 
两款产品的性能参数见右表。ML95S在500kHz~2MHz的频率范围内,尤其是在50mT以上的高磁通密度范围内驱动时,损耗较小。比如,在频率为1MHz、磁通密度为75mT(100℃)时,ML95S的磁芯损耗仅为原产品“MB28D”的1/3左右。ML90S在1MHz~5MHz的频率范围内,尤其在50mT以下的磁通密度范围内驱动时,损耗较小。当频率为2MHz、磁通密度为50mT(100℃)时,其磁芯损耗约为MB28D的1/5。
 
近几年,服务器等网络设备的容量和速度不断提升,尤其是数据中心,为了降低空调电费、改善设施整体的能量效率,强烈要求网络设备实现小型化、降低排热量。与此同时,服务器电源中使用的半导体的高频化和大电流化技术不断发展,所采用的变压器和电感器等无源部件也要求支持高频化和大电流化。但是,在高频范围驱动原来的无源部件时,主要部材——磁芯材料的磁芯损耗非常高,因此电力转换效率会出现下降。而且发热量也较大,可能会给周边部件带来影响。这就需要在高频范围内磁芯损耗较低,而且不易发热的磁芯材料。
 
另外,日立金属将在日立Ferrite电子公司(总部:日本鸟取市)和日立金属(香港)有限公司番禺工厂(广东省广州市)生产这种新材料。据介绍,量产体制已经建成。(记者:松田 千穂)
 

 

8.NEC东金开发出磁性超过高频铁氧体的新软磁材料

 
NEC东金于2015年7月21日开发出了磁性比高频铁氧体更好的磁性材料。量产时间和价格未定。
 
NEC东金此次开发的是金属类复合磁性材料“Sen foliage”。在1MHz以上的高频区域,拥有跟铁氧体一样高的比磁导率(100~500),饱和磁通密度超过铁氧体。在200℃以上的高温下,磁性也很少劣化。居里温度(磁性消失时的温度)为400℃。
 
形状为0.1~2mm厚的片状。截面呈叶子重叠在一起的结构,通过这种结构,确保了较高的非磁导率、饱和磁通密度和耐热性。
 
适合内置于印刷基板,有利于实现DC-DC转换器的小型化。具体而言,通过将以Sen foliage为磁芯的电感器内置于基板中,可以提高服务器和通信设备中配备的高性能处理器用DC-DC转换器的集成度,并降低高度。
 
此外,还适合用于需要在高频高温下工作的新一代功率器件及汽车发动机等。现在,NEC东金正与美国弗吉尼亚理工大学合作开发Sen foliage的用途。(记者:中道 理) 
 

 

9.可使马达性能提高20~30%!日东电工开发出配向可控的烧结钕磁铁

日东电工开发出了可控制配向的烧结钕磁铁(图)。通过控制配向,可使马达的性能比原来提高20~30%,更加便于马达小型轻量化。
 
新产品可在烧结前成形,与传统方法不同,不需要在烧结后进行切削加工,还可以提高成品率。适用于工业机械、工业机器人、车载马达及家电用品等用途。日东电工将于2017年度开始销售新产品。
 
日东电工此次通过采用有机-无机混合技术开发出了新产品。有机材料一般比较容易加工,但也有导热率低、导电性差、线膨胀系数大等缺点。为了弥补这些缺点而与无机材料混合,有机-无机混合技术通过高度设计材料,可实现更高导热性、面向光学用途的高折射率及低线膨胀系数等特性。该公司正在利用这项技术,开发线膨胀系数更低的光半导体透明封装树脂。(记者:松田 千穗)
 
此外,制造并销售新型软磁合金“NANOMET”的风险企业Tohoku Magnet Institute于2015年11月成立。该合金是日本东北大学的牧野彰宏教授领导的研究小组取得的成果,具有饱和磁通密度高而铁损低的特点。据介绍,用于变速箱及电动机等部件时,与普通电磁钢板相比,可将电力损失降至1/4~1/2。
 
Tohoku Magnet Institute的出资方除了日本东北大学的子公司——投资公司TOHOKU University Venture Partners之外,还有5家大型企业,分别是阿尔卑斯电气、NEC东金、JFE钢铁、松下及村田制作所。这5家企业均将开发使用NANOMET薄带粉末的产品。
 
TOHOKU University Venture Partners于2015年8月与金融机构共同设立了“第1号基金”。该基金的首个项目就是Tohoku Magnet Institute。
 
在2020年度之前,新公司会优先向出资企业销售NANOMET。计划2020年度实现约10亿日元的年销售额。另外还预定2020~2025年度向其他非出资企业展开销售,目标是到2023年度消除累积亏损。计划在2025~2030年度将销售扩展到海外。
 
 
 

            

 

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