中國稀土永磁行業(yè)發(fā)展歷程及未來前景深入分析
一、歷史磁性材料主要分軟磁體（又名電磁體）和永磁磁體（又名硬磁體）兩大類，前者需要外界通電才能產生磁力，后者本身就具有保持磁力的特點。永磁材料的發(fā)展歷經了多個歷史階段（圖1），從19世紀末的磁鋼開始，主要指標磁能積在100多年內增長了200倍。
20世紀30年代鋁鎳鈷永磁的發(fā)現(xiàn)是永磁材料發(fā)展史的一個里程碑。鋁鎳鈷永磁的工作溫度可高達600度以上，主要應用于對溫度穩(wěn)定性要求高的領域內，如儀器儀表、電機電器、電聲電訊、磁傳動裝置及航空航天器件。鋁鎳鈷永磁曾經在20世紀的30至60年代逐步占據永磁體市場的領先地位，至1972年，其產量已占據全球永磁體產量的40%。然而由于該合金含有昂貴的戰(zhàn)略物資鈷，特別是受70年代發(fā)生的鈷危機影響，其應用逐漸被50年代發(fā)現(xiàn)的鐵氧體永磁和60年代末發(fā)現(xiàn)的稀土永磁代替。1982年，鋁鎳鈷永磁產量僅占全球永磁體產量的8%。
鐵氧體永磁是繼鋁鎳鈷系永磁后出現(xiàn)的第二種主要永磁材料，主要由鋇鐵氧體和鍶鐵氧體，其電阻率高、矯頑力大，能有效地應用在大氣隙磁路中，特別適于作小型發(fā)電機和電動機的永磁體。永磁鐵氧體不含貴金屬鎳、鈷等，原材料來源豐富，工藝簡單，成本低，可代替鋁鎳鈷永磁體制造磁分離器、磁推軸承、揚聲器、微波器件等。但其最大磁能積較低，溫度穩(wěn)定性差，質地較脆、易碎，不耐沖擊振動，不宜作測量儀表及有精密要求的磁性器件。
七十年代以來鐵氧體永磁產量逐漸超過了鋁鎳鈷永磁產量，且隨著電子信息技術迅速發(fā)展，鐵氧體永磁的市場需求愈來愈大，目前仍是全球永磁體市場的絕對主力。據中國磁性材料與器件行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2010年全球永磁體市場產量約為100萬噸，其中鐵氧體年產量約90萬噸，釹鐵硼年產量約10萬噸。
稀土永磁是上世紀五六十年代發(fā)展起來的，1968年，磁能積為147.3KJ/m3的SmCo5的制備成功，標志著第一代稀土永磁的誕生。1972年，第二代稀土永磁RE2Co17型化合物在日本問世，其磁能積為240KJ/m3。第二代稀土永磁具有優(yōu)異的磁性能、良好的熱穩(wěn)定性、較好的力學特性，主要用于低速轉矩電動機、啟動電動機、傳感器、磁推軸承等的磁系統(tǒng)。然而，制備鈷釤合金的成本過高，原材料供應不穩(wěn)定，人們對二代稀土永磁的性能和工藝還未做更深入的研究，又開始尋找其他替代材料。第三代稀土永磁釹鐵硼永磁（NdFeB）于1983年誕生，這是永磁發(fā)展史上又一個重要里程碑。它的重要意義在于：鐵基代替鈷基成本大幅降低；釹代替釤進一步降低成本；擁有人類發(fā)現(xiàn)的最高磁能積，被譽為“磁王”。釹鐵硼永磁不易碎，有較好的機械性能，合金密度低，有利于磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性溫度系數較高，抗腐蝕性能差，限制了它的應用。
人們仍在努力尋找更好的永磁材料。自1990年以來，稀土-鐵-氮間隙型化合物成為稀土永磁的研究方向，愛爾蘭和日本發(fā)現(xiàn)的Sm2Fe17Nx和我國發(fā)現(xiàn)的Nd(Fe,M)12Nx成為國際上2個獨立開發(fā)系列。此外，1994年擁有納米結構的Sm(CoFeCuZr)z的制備成功，使人們對稀土永磁的納米新時代滿懷憧憬。目前納米稀土永磁材料還停留在研究階段，其磁能積與理論有較大差距，矯頑力也難達預期。
中國的釹鐵硼永磁產業(yè)經歷了3個技術發(fā)展階段。
第一階段（1984-1990）：圍繞實驗室制備高磁能積釹鐵硼磁體。關鍵技術突破是低氧控制技術，獲得了國家科技進步一等獎。
第二階段（1990-2000）：實驗室技術向中試生產轉變。此階段我國在單體制備、鑄錠技術、機械制粉、雙相燒結技術等關鍵技術方面均取得成果，解決了高穩(wěn)定性永磁材料的制備和應用，獲得了國家科技進步二等獎。
第三階段（2000-2010）：實現(xiàn)千噸級生產線關鍵技術的自主化和全部設備的國產化。此階段我國在速凝工藝、氫破制粉工藝等千噸級關鍵技術方面取得突破，獲得了08年國家科技進步二等獎，與日本同屬國際領先水平。
目前，參與中國燒結釹鐵硼統(tǒng)計的生產企業(yè)有130余家，截止到2011年底，中國釹鐵硼年產量500-1000噸的有15家，年產量1000-3000噸的有13家，年產3000噸以上的有7家。中國的燒結釹鐵硼產量由2000年的6500噸上升到2011年的8.4萬噸，超過世界總產量的85%，總產值的65%。
二、隱患
釹鐵硼永磁于1983年發(fā)現(xiàn)后，1984年就開始量產，在之后的近30年里，在傳統(tǒng)的揚聲器、磁選、電機、VCM等領域內對鐵氧體永磁進行了一定替代，也開拓了風電、節(jié)能空調、汽車ＥＰＳ轉向系統(tǒng)、混合動力汽車等部分高端新應用領域，被人們普遍認為是蓬勃的朝陽產業(yè)。
然而，我們注意到，目前釹鐵硼永磁市場的快速發(fā)展至少存在2個隱患。
首先，近3年來現(xiàn)有應用領域全面受到稀土價格劇烈波動的沖擊（圖2），導致需求嚴重萎縮。在稀土價格最高的２０１１年，釹鐵硼開工率不足５０％。傳統(tǒng)應用方面，釹鐵硼永磁主要是以其輕薄短小的優(yōu)勢得以替代鐵氧體永磁，一旦稀土原料成本飆升至一定程度以上，下游很容易重新回歸技術已十分成熟的鐵氧體永磁市場。事實上，過去近３０年的廉價稀土時代，釹鐵硼永磁才替代了不到１０％的鐵氧體永磁市場，傳統(tǒng)市場的滲透難度就可見一斑。而新應用領域方面受到的沖擊也很明顯，釹鐵硼永磁在該領域的應用并不是不可替代。以風電為例，根據直驅風電的成本測算，１.５ＭＷ的風電直驅永磁電機的釹鐵硼消耗量為１.３噸，以市場低端Ｎ３８－４０釹鐵硼報價算，該永磁電機的材料成本在２０１１年上半年上漲了４倍，由１５６萬元／臺上漲至７５０萬元／臺，一臺風電直驅永磁電機的報價大約在８００－１０００萬元，如果產品價格不上漲，其利潤空間被壓縮至虧本邊緣，這迫使部分廠家停產了直驅，又恢復了雙饋式機組。再以節(jié)能空調為例，２０１１年上半年，每匹空調的永磁材料成本由６０多元上漲至２００多元，由于空調漲價極難，利潤大幅下滑，導致一些大型空調廠商對直流變頻空調進行了原材料調整，釹鐵硼材料被大范圍替代。
其次，重稀土被過度依賴。為了提高磁體的矯頑力和溫度使用穩(wěn)定性，通常要添加過多比例的重稀土鋱、鏑，混合動力汽車用磁鋼中重稀土使用量占到稀土總量的25-30%。鋱、鏑的添加帶來了兩方面的問題。一是由于稀土元素分配極不平衡，鋱鏑價格昂貴（圖3），其大量應用對資源的安全、經濟、節(jié)約利用造成了很大障礙。我國稀土儲量中，鋱儲量僅為釹的1/400，鏑儲量僅為釹的1/60，與鑭鈰等量最大的輕稀土元素比就更加稀少了。二是在材料特性上，鋱、鏑進入晶粒內部會大幅降低材料的剩磁和磁能積，從而使磁體最重要的性能指標磁能積的發(fā)展受到限制。永磁體的發(fā)展歷程清楚地表明，昂貴、供應不穩(wěn)定的戰(zhàn)略元素，最終會被更便宜、更易得的新添加元素替代，而磁能積的提高則是貫穿整個永磁體發(fā)展史的靈魂。重稀土的過度添加觸及了2個永磁體發(fā)展的障礙性因素，勢必要被科研者攻關。
三、未來
以世代為階段，科技和創(chuàng)新始終是永磁材料行業(yè)的第一發(fā)展原動力。人類追求更高更強的精神在永磁發(fā)展史上，表現(xiàn)為對磁能積的追求。每隔10年左右，最大磁能積就出現(xiàn)跳躍式發(fā)展，平均每10年提高40KJ/m3。
新需求領域的出現(xiàn)和蓬勃發(fā)展則是永磁材料行業(yè)發(fā)展壯大的基礎。雖然材料替代帶來的市場空間可以給人以信心保障，但我們其實并不要過多指望替代作用。鐵氧體永磁之所以能擁有如此大的全球市場規(guī)模，并不源自其替代了鋁鎳鈷磁材在60年代的狹窄應用，而是因為上世紀80年代后電子信息產業(yè)的快速發(fā)展，為其提供了廣闊的發(fā)展空間。釹鐵硼磁材也如此，雖然我們可以寄望于其繼續(xù)占據鐵氧體市場50%的份額，但是反過來想想，自量產后的30年間，釹鐵硼磁材磁能積已經達到了鐵氧體磁材的10倍以上，并且還是廉價稀土原料時期，也僅占據了鐵氧體磁材市場份額的一角。釹鐵硼磁材的未來，在于我們這個時代以及可見的未來出現(xiàn)的新興應用領域，以及技術和應用的相互促進、完美結合。
由于擔憂中國收緊稀土供應并繼而謀求控制稀土下游產業(yè)鏈，近兩年來美歐日都調整并加快了稀土永磁材料的研究進度。我國也在“國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要”和“新材料十二五規(guī)劃”等政策文件中明確將稀土材料確定為戰(zhàn)略性新興材料的發(fā)展重點?？梢灶A見，未來的十年將是科技突破和工藝創(chuàng)新的十年，是全球賽跑以技術爭奪稀土產業(yè)鏈話語權的十年。鐵氧體永磁從50年代誕生，到80年代后的迅猛發(fā)展，歷經了30年；而今釹鐵硼永磁也已經接近而立之年，是否能夠進入自己的黃金期呢？
圍繞著可能的技術突破，釹鐵硼永磁大的投資機會在于兩方面：1需求突破。緊密圍繞低碳經濟和國防軍工產業(yè)需求，按需定制，開發(fā)高附加值的新應用領域。2元素平衡運用、性能弱點攻關。開發(fā)低重稀土、高矯頑力、強耐腐蝕性、良好溫度穩(wěn)定性能的稀土永磁材料。
