磁体分为电磁体和永磁体2类, 前者是通电产生磁力,而后者本身就有保持磁力, 天然磁铁 (四氧化三铁)就是一种永磁体, 但现在应用最广的是人工合成永磁体, 1930年代日本人发明AlNiCo (铝镍钴合金)和铁氧体( 钡铁氧体或锶铁氧体),这两现在还有不少市场份额, 但现在的市场大头是稀土永磁体。
稀土永磁体历史较晚近。1966年美国空军材料实验室发明了首个稀土永磁体YCo5(钇钴合金),随后美国空军又发明了SmCo5 (钐钴合金), 后者至今在国防等方面还有不少应用, 美国也保留了生产钐钴合金的生产企业比如EEC公司。划时代的稀土永磁体NdFeB( 钕铁硼), 号称磁王,在1984年分别由日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司独立发明。日本工艺是所谓烧结法(sintered),美国工艺是所谓粘结法 (bonded)。
美国的粘结法NdFeB ,由通用汽车的子公司Magnequench在美国生产,在本世纪刚开始之时, 因为美国已经关闭了Mountain Pass稀土生产,稀土原料在中国, 再因为那时流行的全球化产业转移, Magnequench公司把美国厂的设备拆了运到中国天津再安装建厂, 就是现在的天津Magnequench公司。该公司在中国打了不少官司来阻止他人和机构来挖其中国员工, 但在专利于2014年到期之后, 山寨合法化了, 中国其它厂家也大规模进入这个市场。此方法生产NdFeB虽然产量也增长 不少, 但对比日本人开发的烧结法NdFeB还是逊色很多。
日本的烧结法钕铁硼(sintered NdFeB), 目前占稀土永磁体市场的90% 以上,鉴于sintered NdFeB 永磁体的重要性, 有必要提一下发明者的名字佐川真人, 此人与传统日本员工个性不同,不是在一家公司从一而忠,在富士公司干的不高兴, 就转到住友特种金属, 并在该公司发明的sintered NdFeB, 后来又跳到其它公司, 再后来干脆成立自己的公司。 日本与韩国台湾及后来的中国大陆不同, 不仅仅是跟随搭车者,日本是有不少它自己的独立发明, 比较著名的有岛津仪器公司的田中耕一, 他是因为开发使用质谱分析测量生物大分子分子量的方法而获得诺本尔奖的, 不著名的就更多了, 比如发明快闪记忆体芯片NOR和NAND的东芝公司舛冈富士雄。 可笑的是论资排辈的东芝公司不承认是其员工发明的, 而是说是Intel发明, 反而是Intel认可日本人的发明权。
NdFeB永磁体, 其中稀土其实是2种轻稀土Nd 和 Pr的混合物, 约占30%, 硼(B)占1%重量, 大头是铁(Fe),与SmCo5 永磁体相比,廉价的铁替代了昂贵的Co (钴), 量大的稀土Nd/Pr替代量少的稀土Sm, 磁性能反而比SmCo5高很多, 简单的说就是高性能和适中的成本, 但是, NdFeB的coercivity(保磁性或矫顽性)不佳, 特别是在高温下其磁性能大减, 所以佐川真人在NdFeB里加入重稀土 Dy和 Tb来保持高温下的磁力,重稀土加入量根据永磁体的型号而不同, 最高可达10%, 最大加入量与NdPr的重量比, 大约是 1/3了, 这就很恐怖了,据报道在中国的稀土储量里, Dy是 NdPr 的1/60, Tb是 NdPr的 1/400, 分配极不平衡. 所以 减少重稀土加入量是经济上必须的, 为此佐川真人又使用 晶界扩散技术( gain boundary diffusion, GBD)在磁体的表面形成一层重稀土层来大大减少 重稀土Dy 和Tb用量, 但是, 这两重稀土还是必不可少。 ?简单地说, 对于NdFeB永磁体, 需要大量的轻稀土NdPr氧化物的混合物 (简称NdPrO), 还有必要的少量重稀土 Dy 和Tb, 这3种类(实际上是4种)稀土又被称为magnet rare earth, 现在价格也是商业化生产稀土中最贵的。
因为重稀土Dy 和Tb价格昂贵且价格波动巨大,在今年5月前中国又是唯一的供应国, 所以在日本和西方,NdFeB永磁体下一个技术发展方向是HRE-free (无重稀土添加) , 目前日本和德国已经在这方面取得进展。 更颠覆性的, 是研发新型无稀土永磁体,目前美国已经有新型铁氮合金永磁体的工厂开始建设,预计2年后投产, 看报道这玩意性能很好, 但似乎也有大缺陷, 这个缺陷是不是致命, 还不知道,下篇再聊 。
中国方面,sintered NdFeB 发明的次年, 中国就开始跟随研发, 这也是中国特色, 各研究院所跟踪国外动态来立项, 人家已经走通的路,跟着人家后面模仿,那多省力,美其名曰赶超世界水平。我出国前在中国工作那几年, 泡在淮海中路上的上海科技情报所时间也不少, 查看美日欧的相关文献和专利,所谓摸石头过河嘛! 回到中国的sintered NdFeB研发,直到1990年, 是实验室研究阶段, 2000年前是中试(pilot plant) 阶段, 到2010年, 是千吨级工厂生产阶段, 前后也花了20余年, 日本公司在中国建立合资稀土永磁工厂也加速了技术转移的过程, 看日经新闻, 似乎日本人认为他们在中国的合资厂是导致中国后来稀土永磁产业大发展的原因(我个人认为, 在高性能sintered NdFeB方面恐怕是如此, 一旦在中国建厂, 技术扩散不可避免), 而中国方面则认为是自力更生的结果。 目前中国的sintered NdFeB生产占全球份额的80%, 中国之外的sintered NdFeB生产公司就日德5家, 原发明公司住友特种金属公司后来成为日立金属的一部分, 日立金属前2年又改称Proterial公司, 日本其它生产sintered NdFeB的还有信越化工, TDK和大同制钢, 德国的VAC公司在欧洲有2家厂。
显然, 中国 sintered NdFeB的成本比日本要低, 据日经新闻, 要低30%, 稀土原料没有中间环节过手, 出口又有退税, 加上蓝领人工成本较低, 中国成本比日本低30%也正常, 这也导致部分日本下游用户不买日本货而是买便宜的中国货, 这在日本很少见, 因为日本供应链系统只要有选择必选日本公司, 这也是日本特色之一, 另一个日本特色是, 日本公司虽然在海外建厂, 但一般情况也尽力保持本土日本工厂的存在。 这与美国完全不同, 美国人就是唯利是图, 只要海外货便宜就买, 只要海外生产成本低就把美国厂关掉。
这次中国限制7种稀土出口, 头两名就是sintered NdFeB永磁体必需的重稀土 Dy 和Tb, 所以西方车厂用的NdFeB永磁体都受到影响, 美国的通用汽车一部分生产线, 还有日本铃木一种轻型车生产线也因此一时停产。 美国是活该, 谁叫它一贯唯利是图, 这次吃苦头了吧, 只好政府出面下一点点本钱通过补贴, 下决心重建自家的供应链, 铃木也活该, 谁叫它图便宜, 要是还是用日本货也不至于停产,日本那几家NdFeB永磁体的生产商, 早就储存了2年以上的稀土原料, 其生产和下游供应链都没受影响。