稀土类磁体是最新一代的高性能磁体, 为了解稀土磁体在整个永磁发展和应用的进步史中的作用, 首先要述及全部磁体。

自50年代起, 国外收音机、电视机、录象机盛行, 其中所用的大量扩音器用铝镍钴磁体。在此以前的高级扩音器是用电磁体励磁的电动式扩音器。由于所研制的铝镍钴可以发生相同的磁场, 因此取代电磁体, 使电动式扩音器完全处于消失。此外, Alnico₅还扩大到利用磁控管的电磁调理器的应用。

一、 铁氧体磁体

现代磁体的先驱是以钡铁氧体、锶铁氧体为典型。此种高的结晶磁各向异性的强磁性氧化物磁体, 具有高的固有顽磁力, 由于材料的饱和磁化低, 因此磁能积比铝镍钴磁体低。铁氧体磁体量轻而且价廉, 因此具有很大的实用价值。70年代世界出现在各个永磁应用领域由铝镍钴代替铁氧体的倾向(以日本为例如图 1所示)。

铁氧体与铝镍钴相比具有显然高的固有顽磁力。此种固有保磁力是对已磁化的磁体施加逆向磁场时开始磁化顿倒的临界磁场。利用结晶磁各向异性的现代磁体与历来的铝镍钴等相比, 具有显然高的固有保磁力。铁氧体利用此一特点, 因而曾经开辟在各种电机、特别是微电机中的应用。正如感应电机所见到的, 电机可以说是旋转着的电磁体, 而且电磁体部分地改用磁体。由于电机起动时在线圈中有过大电流而发生大的逆磁场, 以适应大顽磁力的铁氧体需要。在扩音机中的应用可以说是第一时期, 在电动机中的应用为第二期。

二、 稀土类磁体

现代磁体中, 材科的饱和磁通密度(Bs)决定其最大磁能积。铁氧体缺点是Bs低, 约4.8kG。后来日本松下电器公司研制的Mn-Al-C系磁体稍有提高, 约5.7kG。以欧美为中心约自1970年开始研究稀土磁体, 所研制的SmCO₆烧结磁体使最大磁能积飞跃提高。

SmCO₆是Sm-Co二元系金属间化合物, Bs值为9.5kG, 结晶磁各向异性常数ku =10.5×10^-1erg/cm³, 最大磁能积达～20MGOe。其制法与铁氧体磁体相同, 将Sm-Co合金细微粉碎成微米粒度级, 施加磁场并按容易磁化排列方向压缩, 然后在接近1200 ℃的高温下烧结。由于稀土元素极易氧化, 因此制造工序是在惰性气氛中进行。SmCO₅。磁体的特点是不但有极高的固有顽磁力, 而且容易磁化, 一旦磁化后, 在交流去磁的情况下不会去磁。

稀土磁体在70年代进入实用, 但当初单价每克超过100日元, 相当于铁氧体价格的200倍以上, 因此应用受到限制。12年以后价格降至低于原来的1/3。1987年日本稀土磁体的销售额超过300亿日元, 估计1990年销售额将超过铁氧体^〔2〕。

典型应用之一例是微波通讯用的行波管, 将多个环状稀土磁体按同极取向配置, 在其轴上造成如下所示的周期性高磁场, 由此而控制电子束。此外, 利用对极之间的斥力, 使对偶悬浮, 摩擦为零的磁性轴承安装在超高速离心分离机之中，以用于轴的精制。利用稀土磁体实现超小型扩音器及步进电机。最初得到普及应用的是利用晶体振荡器的石英钟。在精密小型电机中的应用包括步进电机、DC无电刷电机以及无铁心电机^〔3〕。图 2表示日本1979年稀上类磁体同产量及用途分类。

继SmCO₅磁体以后, 为了使磁特性进一步提高而开展世界范围的竞争, 探索具有高饱和磁化的稀土类化合物。最初引为重视的比SmCO₅的饱和磁化更高的是PrCo₆, (Sm、Pr)CO₆烧结磁体具有比SmCO₅稍高的(BH)_最大, 因而得到应用。在Sm -Co二元素中, 存在着比SmCO₅的Co更富、Bs值高达1.28kG的Sm₂Co₁₇的化合物磁体, 又称2-17型磁体。比SmCO₅性能更高的Sm(Co, Fe, Cu)_0•8及Sm(Co, Fe, Cu, Zr)_7•4两种稀土磁体分别由日本的信越化学公司(于1975年)及TDk公司(于1977年)研制而成。

2-17型稀土磁体共同特点可归纳如下:

① 成分是用Sm(Co, Fe, Cu, TM)_z的分子式所表示的多元素稀土类和过渡金属的合金作为原料。括号中表示所需要的过渡金属元素符号, 除Co, Fe, Cu以外还需要添加相应的微量过渡金属(用TM表示)。小写z是代表Sm与过渡金属的原子数之比。

② 将熔化了的合金进行细微粉碎, 在磁场中排列方位并压缩成形, 约在1000℃下退火后, 进行中温时效; 可获得高的顽磁力。

③ 时效后的磁体如图 3所示, 主相的2 -17型化合物(六方晶系)通过以网目状析出的1-5型化合物(六方晶系)构成细微分隔的两相结构, 由此磁畴壁的牵制达到高顽磁力。

2-17型稀土类磁性合金必须添加10 (原子)%左右的Cu, 因而使合金经过上述②的处理, 利用最终的变态以形成如③中所示的两相组织。主相的2-17相饱和磁化高, 利用1-5相而获得高的顽磁力, 磁体能够达到高的最大磁能积。Sm(Co, Fe, Cu)_0•8磁体是最初利用添加Cu的效果; 达到(BH)_最大=26.3MGOe。后来研究除Co、Fe、Cu以外, 还添加微量的过渡金属元素, 如1(原子)%以下的Ti、Mn、Cr、Zr、Hf、Ni以改善性能。其中最成功的便是上述Sm(Co、Fe、Cu，Zr)7•4成分的2 -17型磁体、达到(BH)_最大=29.6MGDe的纪录, 引起世界的注意, 并很快得到实用^〔4〕。

三、 Nd-Fe-B磁体

2-17型稀土类磁体出现后的几年中, 磁性能达到引起世界惊奇的提高, 便是Nd₂-Fe₁₄B磁体。

日本住友特殊金属公司将Nd₁₅Fe₇₇B₈分子式所示的成分的合金烧结后退火(约在600℃下), 磁体的主相为Nd₂Fe₁₄B形式的金属间化合物, 在晶界存在着含微量过剩的Nd和B的相, 此种化合物为正方晶格结构, 具有高的固有顽磁力。这是与SmCO₆烧结磁体类似之处, 但饱和磁通密度极高16kG, 为Sm-CO₅的1.6倍, 因此最大磁能积达40MGoe以上的惊人程度(如表 1所示)。

Nd-Fe-B磁体在应用上最大的难点之一是居里温度低, 为312℃, 因此在室温下磁通密度的温度系数比其他磁体大得多。对此所采取的方法是将Fe的一部分用Co代替, 同时添加少量的Al或Ga, 或将Nd的一部分用Dy代替。此外对于容易生锈的缺点采取在表面蒸镀Al的方法。由于此种磁体以Fe为基体, 而Nd在稀土中较丰富, 因此从资源角度也较为有利。

目前Nd-Fe-B磁体的最重要的应用是将核磁共振现象用于人体摄象以进行医疗诊断, 1台设备需要使用l吨磁体。近来在放射光设施之类的大型电子加速系统中为了达到电子束控制系统的高磁场而使用Nd-Fe-B磁体。