钕铁硼晶界扩散技术

随着烧结钕铁硼材料在现代工业和电子技术，尤其是新能源汽车、工业机器人和移动智能等领域的广泛应用，要求钕铁硼产品的朝着轻、薄、小型化和高能化发展，对磁体的磁能积、矫顽力和热稳定性的要求越来越高。但在传统制备工艺下，烧结钕铁硼的高矫顽力和高磁能积一直存在此消彼长的痛点。

通过向合金中掺杂Dy或Tb等重稀土可以提升磁体的矫顽力，但由于镝和铽大量进入主相晶粒，会造成剩磁的明显降低。并且这种工艺大量消耗昂贵的重稀土资源，导致磁体的制造成本大幅提高。行业内通常用(BH)max (MGOe) +Hcj (kOe) 来表示磁体的综合磁性能，如何在保持高剩磁的前提下，进一步提高磁体矫顽力，从而制备高综合磁性能磁体成为了行业研发的热点。

晶界扩散技术是近几年发展起来的一种可以有效改善烧结钕铁硼磁体磁性能的技术手段。通过在磁钢表面形成一层重稀土膜，经真空热处理使重稀土沿晶界进入磁体内部，同时重稀土原子取代主相晶粒周围的 Nd 原子形成高矫顽力壳层，这种独特的显微结构在极低的剩磁下降值基础上可大幅提升磁体矫顽力。一般情况下，对厚度小于8mm的烧结钕铁硼磁体，采用Dy扩散HcJ提升4kOe～7kOe；采用Tb扩散HcJ提升8 kOe～11 kOe，两种扩散Br下降0.3kGs以内。

与传统的非扩散磁体相比较，晶界扩散工艺的主要优势体现在：

1、相同牌号的磁体，采用晶界扩散方式可大幅降低Dy、Tb使用量，成本更低；2、采用晶界扩散方式可以制备50EH、52UH等传统工艺无法企及的高综合磁性能磁体。

我们知道凡事都有多面性，晶界扩散工艺也不例外，也存在一些不足的地方。比如由于浓度梯度的存在，扩散深度受限，规模量产的扩散磁钢厚度通常在10mm以内，限制了该工艺的应用范围。

晶界扩散的主要工艺形式

经过多年的发展，晶界扩散在工艺上已经发展出溅射、蒸镀、涂覆、电沉积等各种方式，扩散源包括重稀土单质及合金、氢化物、氟化物、氧化物等。

1. 溅射

1-1 磁控溅射

是通过电压产生辉光放电，将氩气电离化，氩离子轰击靶材溅射出镝铽等重稀土粒子沉积在磁钢表面形成膜层的方法。磁控溅射法适用的产品包括方片、瓦型、圆片、圆环等，扩散源多为镝或铽的纯金属靶。

磁控溅射具有镀膜均匀度好、膜层致密、矫顽力提升效果稳定等优点。其缺点为：1、设备较贵，连续式设备单台价格在350-500万之间；2、靶材利用率较低，因此相对成本较高。

1-2 多弧溅射

是一种场致放电产生局部高温喷溅的镀膜。具有镀膜效率和靶材利用率较高、结合力好等特点。但缺点是：1、镀膜颗粒大、膜层表面粗糙；2、镀膜均匀性一般；3、镀膜稳定性不理想；4、局部温升高。

2. 蒸镀

蒸镀是一种通过在真空状态下对镀膜材料的加热气化而进行沉积成膜的方法。蒸镀法分为静态蒸镀与旋转式蒸镀，类似于电镀工艺中的挂镀与滚镀，分别适用于大块和小片磁体。

2-1 静态蒸镀

优点在于蒸镀温度较高，蒸镀源的升华、在磁钢表面沉积以及在磁体内的扩散过程同时进行，因此重稀土扩散效果较好。由于蒸镀后重稀土成膜质量与蒸发温度、真空度和镀距（重稀土靶材与磁片间的距离）有关，磁钢片需放入特定的工装中以保证镀距，造成工艺较为复杂，生产效率较低，且成膜一致性较差，因此静态蒸镀在国内磁材行业应用较少。

图片来源：高京园，Nd-Fe-B 永磁材料的旋转扩散工艺研究，2020年,北京工业大学[D]

2-2 旋转式蒸镀

是将小微型磁钢与重稀土靶材通过旋转不断混合，高温后挥发出的金属Dy/Tb沉积至产品表面的方式。该工艺适用于小产品，特别是单重在1g以下的电声类产品；扩散材料成本较低，增重较少，HcJ提高明显；提升HcJ一致性较高。缺点是产品和镝铽金属分离过程相对会耗费人工；并且该工艺在行业中使用较少，设备通常需要定制，有一定的技术壁垒。

3. 涂覆

3-1 自动喷涂

将磁片单层密摆进工件盘，采用气动喷枪往复式喷涂成膜，扩散源为氟化物或氧化物时可以在大气环境下喷涂，如果为氢化物或重稀土合金粉末时需要惰性气体保护。

优势为：1、适用扩散源较多，氢化物、氟化物、氧化物及合金均可；2、可扩散多种形状尺寸产品，瓦型、方片、圆片、环形；3、设备自动化程度高，工件盘等均可通用，订单切换灵活方便；4、设备投入较低，重稀土利用率高。主要缺点：扩散源为氟化物时存在专利风险，氢化物与合金时有安全隐患，氧化物性能一致性差。

3-2 丝网印刷

是将重稀土粉末配制成油墨，印刷时在丝网印版的一端倒入油墨，用刮板对丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端匀速移动，油墨在移动中被刮板从网孔中挤压到磁片上成膜。

由于油墨的中有机试剂的包裹，阻挡了氢化物或重稀土合金接触空气，避免了氧化，因此可以使用重稀土氢化物作为扩散源在大气环境中涂覆，有效规避了氟化物专利风险。同时，丝网印刷工艺具有生产效率高和重稀土利用率高、增重一致性好等特点，非常适合方片类磁钢晶界扩散。近两年丝网印刷工艺在行业内快速推广，成为主流工艺之一。

缺点是：1、丝网与刮板不适用于表面不平整的瓦型产品；2、不同尺寸和增重比的产品通常都需要对应的油墨、丝网印版和治具，适合大批量稳定订单。而对于小批量订单，频繁更换网版与治具，会造成效率降低和成本增加，灵活性低。

4. 电沉积电泳沉积将重稀土扩散源与酒精配置成悬浊液，通过直流电场作用重稀土扩散源颗粒沉积到磁钢片表面形成重稀土膜。优点是生产效率高，工艺简单，生产成本低。缺点是镀膜结合力、均匀性低，大批量生产时性能一致性差等。因此该工艺应用较少。随着市场压力的逐步增大，成本竞争早已从扩散与非扩散工艺相对比，变成不同扩散工艺之间的对比，甚至是在相同扩散方式下，重稀土利用率与制造费用的对比。不同的扩散工艺各具特色，实际生产中需要根据产品特点、性能需求和生产成本选择适合的扩散工艺。相信未来将会有更多新的扩散工艺被开发使用。同时，易扩散基体开发、重稀土扩散源的极致利用、扩散深度的突破和非稀土扩散源开发等方向也将吸引广大科研及生产人员的关注和努力。