中国磁性材料产业现状及其发展展望

2010-11-03

摘 要: 磁性材料是各种电子产品主要的配套产品,无论是消费家电产品和工业类如计算机、通讯设备、汽车,以及国防工业均离不开磁性材料。当前,中国各种磁性材料的 产量基本上世界第一,成为磁性材料生产大国和磁性材料产业中心。中国磁性材料的中长期市场前景十分光明,中国的磁性材料产品在全球的地位必将进一步提高。 必须加强科技创新力度、加强技术改造加强企业管理水平,调整产业结构和提高产品档次,使中国磁性材料从大国走向强国。本文着重从宏观角度分析了中国磁体产 业整体情况,介绍了稀土永磁材料特别是中国钕铁硼烧结和粘结产业现状,以及中国新型的稀土永磁材料的研究开发情况,同时对我国磁体产业发展前景进行了预测 和分析。  

1 中国磁体产业的发展历程    

     目前,全球的经济已进入了一个信息时代,作为一种功能材料,磁性材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类:20世纪30年代开发的铝-镍- 钴永磁(AlNiCo);50年代初期开发的铁氧体磁体;60年代末开发的钐-钴磁体(Sm-Co),包括第一代稀土永磁-SmCo5和第二代稀土永磁- Sm2Co17;80年代初开发的稀土永磁钕铁硼(Nd-Fe-B)。而稀土永磁,特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分,在永磁材料中发展最快,平均 以每年10%的速度增长。 中国磁体产业在中国的出现远较西方发达国家晚,起始期是1969年到1987年之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少,所以到八 十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987~1996的十年是中国磁体产业开始发展的第一阶段,其特点是起点低:由于投资小,设备简陋,生产设备基本完 全是国产的,经营理念落后,仍局限于小生产的模式。    

    1997~2002的五年是中国磁体产业发展的第二阶段,其特点是起点远高于前一阶段:投资强度大,引进一部分国外的先进技术设备,能够按先进的工艺路线 组织生产,产品质量一般属中低档。 2003年起,中国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”,即高起点、高投入、高回报:1)产品瞄准特定用途所需的高档磁体;投资规 模巨大,引进整条先进生产线;2)按现代化管理的理念,组织集约式分段联营的大生产:磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和磁体制备,投资显著降低,效 益则大为提高;3)按资本运作的规律运营,从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先进的或采用国产先进生产线,生产高档的磁体产品。    

     进入21世纪,发达国家的磁体生产由于成本过高,已难以为继,世界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移,中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材 料制造企业看好中国,如日本的TDK、FDK、EPSON、日立金属、住友特殊等,韩国的梨树、三和、磁化等,欧洲的PHILIPS、德国的VAC、 EPCOS,美国的ARNORD、MAGNEQUENCH 已经转移到中国。世界磁性材料生产向中国转移,增强了中国磁性材料工业的整体实力,提高生产技术,加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。

2.中国稀土永磁――钕铁硼的发展    

     某个国家或地区磁体产量约占全球总产量的一半时,即成为“全球磁体产业的中心”。二次世界大战前的欧洲,二次大战后的美国,70年代以后的日本均堪称当时 “全球磁体产业的中心”。新世纪伊始,“全球磁体产业的中心”已转到中国。据统计,直到1999年,铁氧体磁体的产值始终占全球磁体总值的一半以上,堪称 磁体市场的主题。2000年稀土磁体(NdFeB+SmCo)产值首次超过了铁氧体的,此趋势与日俱增。换言之,稀土磁体在21世纪将唱主角。 代表当今磁体最高性能的NdFeB稀土永磁的80年代初问世时,正好赶上计算机产业的微型化,故该磁体立即成为制造诸如磁盘驱动器等计算机外设的关键材 料。NdFeB更广泛用于各类音响/影像等消费电子器件中,90年代以来在全球迅速普及的移动通讯设备—手机也离不开NdFeB的重要贡献。

钕铁硼专利[1]    

     钕铁硼硬磁制造方法分为烧结和粘结两种,专利所有者分别为住友特殊金属株式会社(日本)和麦格昆磁(MQ)公司(美国)。同时MQI公司又是全球唯一的粘 结钕铁硼原材料(磁粉)供应商。其在欧洲和日本的成分专利和生产制造工艺专利均已经失效,美国的专利在06年和07年分别失效。在中国制造、销售和使用钕 铁硼磁体并不涉及任何专利问题,但是其产品不能出口到专利覆盖区,否则构成侵权。中国拥有住友与MQI覆盖全球的专利许可的烧结NdFeB磁体企业共五 家:三环新材料高技术公司(三环),于1993年5月取得专利许可;北京京磁公司(BJMT),于2000年3月取得专利许可;银纳金科磁技术公司 (THINOVA),于2000年9月取得专利许可;宁波韵升磁公司(韵升),于2001年3月取得专利许可;安泰科技股份有限公司(AT& M),于2003年3月继承了台湾海恩金属公司2000年5月取得的专利许可。这五家公司的烧结NdFeB磁体的生产能力将近10,000吨/年,五家公 司中的三家是上市公司,即安泰科技、三环与韵升。

烧结钕铁硼

     图1是全球及中国、日本、美国、欧洲烧结NdFeB磁体的总产量,其中2004年中国生产烧结NdFeB磁体27,510吨,毛坯46,1500吨。与 2003年相比产量增长49%。而产量与产值存在的巨大差距正是中国稀土磁体产业面临的主要问题。改进产品性能,提高产品档次是解决此矛盾的唯一出路,就 是说,要尽快消除存在于中国磁体产业与西方国家之间的技术差距[2]。     

   烧结NdFeB磁体在中国的用途可分为三类:

    1. 高技术领域的应用,诸如MRI,VCM,CD传感器,CD-ROM,DVD-ROM,手机,电池驱动工具,EB,EAV,EV。

    2. 传统用途,诸如扬声器,耳机,话筒等音响器件,磁选机/磁分离器,各类磁化器包括民用水脱垢器,油田用的脱腊器,酒厂用的陈化器等。

    3. 低档用途,诸如慈溪等地生产的磁性纽扣。图2是2003年中国烧结NdFeB磁体的用途分布情况。    

     中国烧结钕铁硼产地遍及11个省和京津地区(见图3)。浙江省的烧结NdFeB磁体生产发展最快,其产量占全国总量的47.1%。山西地区由于得天独厚的 自然和低成本条件,目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。山西烧结NdFeB磁体生产占全国产量的21.7%。京津地区的产 量居第三位,占全国的11.7%。其余总量19.5%则散布在华东、华北、华中和西北等苏、冀、内蒙、鲁、豫、川、陕、甘、宁九省以及东北地区。 众所周知,NdFeB对环境(温度、 湿度)极为敏感,浙江产量虽大,但品质不高。一般而言,气候干燥的山西、甘肃、宁夏等地,用同样工艺设备生产磁体,其性能则优于南方的。当然,关键仍在于 采用专门针对NdFeB的设备并按先进工艺进行磁体生产,才能稳定地批量生产高牌号磁体。濒临渤海的烟台首钢磁材公司,它引进先进设备大批量生产顶级烧结 NdFeB磁体,就是一例。

     2004年国内烧结钕铁硼行业热情空前高涨,新增生产能力大幅提高,中科三环公司通过长期努力,第一次进入到为日本、欧洲等发达国家磁材企业所垄断的钕铁 硼高端应用领域――计算机硬盘驱动器音圈电机(VCM)应用市场;在另外的一个高端应用领域――汽车应用领域方面,中科三环的钕铁硼磁体也成功应用在点火 线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中,同时还进入了核磁共振成像仪领域。对于上述几个稀土永磁高端应用市场的进入,标志着中国的稀土永磁产品结 束了大部分只局限于中低端应用市场的不利局面,真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。

粘结钕铁硼    

     在激烈的市场竞争中,在粘结钕铁硼方面,美国和欧洲的生产企业基本退出了该行业,到2003年只剩下一两家生产粘结NdFeB的制造厂了,2004年美国 和西欧的永磁材料产量只占全球的10%之内。因此在该行业中,全球的生产能力大部分集中在日本企业[3]。其中有代表性的两家企业,一家是精工爱普生,他 们的磁材生产已经全部转到中国上海爱普生磁性器材有限公司了;另一家大的粘结磁体企业-日本大同公司。在计算机硬盘驱动器(HDD)的主轴电机应用方面, 大同和上海爱普生两家企业就占据了整个市场份额的90%以上。2002年底,中科三环参股了上海爱普生磁性器件有限公司,2004年3月进一步扩大股权, 目前中科三环已持有该公司的70%股权,成为其第一大股东。安泰科技2003年3月收购了海恩公司,其深圳的爱恩美格也是一个技术水平很高的粘结磁体工 厂,加上国内成长起来的成都银河,粘结磁体企业除日本的大同外,其余产能基本分布在中国。    

     图4是日本粘结协会统计的有关资料,从图中可以看到这种优势。从2001年开始,中国粘结钕铁硼的优势逐渐显露出来,2002年后中国远远超过了日本,处 于了第一位。粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320顿,中国的产量仅为50吨;2000年全球粘结钕铁硼产量达到3550吨,中国的产量为620 吨,虽然占世界总产量的比例仅为20%,但年平均增长率去达到了60%,有了长足的发展。据最新统计,2004年中国粘结钕铁硼磁体产量达到了1350 吨。

     尽管中国已经是生成粘结钕铁硼永磁的第一大国,但只是占原材料和人工成本的优势,由于设备、生产技术以及管理能力有限,只能生产一些中低档的产品,像 HDD这类高档和高利润产品仍由日本企业掌控,所以在中国出现生产量增加很快,产值特别是利润的增长却不成比例。粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小,还 有很大的发展空间。估计年递增速率在20%以上。到2005年,我国粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。全球对粘结稀土永磁需求的增长幅度不是很 大,其主要原因是由于粘结钕铁硼永磁的主题市场是IT行业密切相关的各种微型马达,IT行业的不景气直接影响对粘结钕铁硼永磁的需求[3]。

3 中国新型稀土永磁材料的研究开发现状[4]    

     在新型稀土永磁材料研究方面,我国科学家无时不出现于国际前沿。在ThMn12结构金属间化合物研究方面,我国是最早开展这方面研究的国家之一,在结构与 磁性,超精细相互化合物方面,我国最早报道了RF11TiNy的研究成果,开辟了ThMn12结构间隙化合物研究领域;在Nd3(Fe,Ti)29新相研 究方面,我国科学家首先发现了Sm3(Fe,Ti)29单相化合物及其氮化物,并研究了它的磁性。 近年来,利用快淬工艺制备各向异性稀土永磁材料方面做了一些探索。最近,中国科学院物理所利用快淬工艺成功的合成出具有高磁能积的磁各向异性Sm-Co稀 土永磁材料,其室温磁性能可达18.2MGOe,剩磁比为0.9,并且通过球磨后制备的粘结磁体仍旧保持各向异性,具有高的磁能积。同时发现碳元素能够控 制易磁化轴在快淬带中的织构方向并细化晶粒可进一步提高其硬磁性能。

    北京大学,研制成功了具有自主知识产权的ThMn12结构氮化物稀土永磁材料[5]。目前,已开发出磁能积为15~20MGOe左右的R(Fe,M) 12Ny(R=Pr,Nd;M=Mo,Ti,V)间隙化合物稀土永磁材料,已建成年生产能力100吨的中试生产线,进行产业化推广[6]。2004年10 月 ,深圳北大双极高科技股份有限公司与深圳中核集团公司签约,合作建立新型稀土永磁材料基地,将根据市场发展需要,拟在深圳建设年产1000吨钕铁氮磁粉的 产业化示范生产线。此签约项目涉及3.5亿元的巨大数额。该磁粉在质量上和性能上居世界领先地位,这项成果是把基础研究成果转化为现实生产力的成功典范。 目前,国内外一些知名企业正在利用钕铁氮制造磁体产品。该项目得到了国家发改委、科技部、教育部和北京市科委的立项支持。

     钢铁研究总院,开展了高使用温度稀土永磁材料的制作技术和工艺的研究,进一步研究不同材料的阶段性热处理退火工艺、胞相和胞状结构与温度磁性能的关系。获得Sm2Co17高温磁体的性能450℃时 (BH)max≥9MGOe,Hic≥7.9kOe。

     上海大学材料研究所申请并承担各向异性钕铁硼磁体的国家自然基金、上海科委和教委纳米专项等多项课题,进行粘结各向异性钕铁氮复合磁体研究开发。北京科技 大学利用HDDR(hydrogen disproportionation desorption recombination)工艺也进行了开发各向异性钕铁硼粘结磁体的研究。    

     近来有一些国外磁体专用设备厂家联合推出,按最佳工艺路线配套的一条全封闭、全自动化的完整生产线:原料从生产线的一端投入,在另一端出来的已是磁体最终 产品,包括磁体的涂层。设备厂商能保证磁体产品极低的氧含量(O2≤1000 ppm)和极高的磁能积((BH)max=52MGOe))。据了解,如此先进而完备的生产线在西方国家尚不存在。更为重要的是,此生产线的报价远低于单 机报价的总和!报价不仅包括设备硬件,也包括技术软件。换言之,设备厂家不仅提供成套设备,更保证用户能生产出最高牌号的稀土磁体!

     值得一提的是,国内磁体专家有感于国内生产设备与国外的差距,经数年的潜心钻研与实践,终于在2003年中研制出一整套具有中国特色的烧结NdFeB磁体 生产线,并付诸实施。用它可稳定生产高挡NdFeB磁体,整条年产300吨烧结NdFeB磁体生产线的价格仅是国外相应设备的1/4~1/6。此生产线的 涂层完全摈弃了导致磁体氢化的电镀,而采用无污染的Dacro技术,耐蚀性良好,成本低廉。 近年来,我国的稀土永磁的生产装备也有了长足的发展。特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破。例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂 使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地,纷纷在中国设立生产基地,同样给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月, 沈阳中北真空技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地,引进世界最先进的液晶显示、等离子真空热处理技术,这必将对我国烧结钕铁硼的生产技术水平的提 高产生积极的影响。

4 中国磁体产业发展思路和前景预测    

     跨入21世纪,中国的磁性材料产业得到了进一步发展,年增长超过20%[7]。初步统计,2004年中国烧结铁氧体[8]达到350,000吨(占全球总 量的51%),粘结铁氧体50,000吨(占全球总量的32%);烧结钕铁硼永磁[9]达到27,510吨(占全球总量的81%),粘结钕铁硼永磁 [10]达到1350吨(占全球总量的35%);铸造磁体3,500吨(占全球总量的56%)[11]。世界磁性材料生产向中国转移,增强了中国磁性材料 工业的整体实力,提高了生产技术,加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。

稀土永磁的发展和前景    

     作为朝阳产业,稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重,其新的应用成长点在不断涌现,特别是信息产业为代表的知识经济的发展,给稀土永磁等功能材料不断带 来新的用途。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面的广泛应用外,汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始,这将极大的带动 钕铁硼产业的发展。由于我国丰富的稀土资源,较低的人工成本和广阔的市场,从而在未来的五年至十年内,国外的钕铁硼制造业继续逐步向中国转移的态势势不可 挡,中国必将吸引大量国外先进的钕铁硼永磁材料制造商,比如美、日、欧等国家、地区的企业进入,一方面会对中国稀土永磁企业带来挑战,另一方面也会将先进 的技术、管理经验带入中国,从而进一步推动中国稀土永磁产业的发展。 “十五”期间,我国钕铁硼磁体的总产量超过了5万吨,烧结钕铁硼磁体产业会保持继续增长的势头,年增长率仍会保持在20~30%以上,粘结钕铁硼磁体产业 在我国的规模还小,还有很大的发展空间。预计到2005年,我国烧结钕铁硼磁体年产量将达到3万吨左右,粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。预计 到2010年,我国烧结钕铁硼磁体产量将达到7万吨,占全球产量的75%;粘结钕铁硼磁体产量将达到1万吨,占全球产量的50%。 中国磁性材料行业的大发展 “十一五”时期,是中国磁性材料工业大发展时期,世界磁性材料产业中心已经转移到中国[12]。

(1) 家电领域。中国电视行业预测到2010年,中国彩电总量达到1亿台,占世界产量的63%。据此估计,全球需要软磁铁氧体6万吨,永磁铁氧体8万吨。

(2) 信息化领域。电脑的普及带动了相关外置设备的发展,尤其是硬盘驱动器(HDD),预计到2010年全球产量超过5亿只;DVD、DVD-ROM和刻录机,到2010年全球的产量超过10亿。这是钕铁硼磁体应用的大市场,全球需要量在2万吨。

(3) 汽车领域。汽车已经成为中国国民经济发展的第五大支柱工业,到2010年,中国的汽车产量达到1000万辆,如每辆汽车用电机数在30只,扬声器在5只, 将需要永磁体10万余吨。由于能源的紧张和环保要求,电动汽车的开发在加速,预测到2010年全球产量在350万辆,需要钕铁硼磁体4200吨。

(4) 其他配套领域。由于世界各类磁体配套件市场向中国转移,例如电动自行车的需求量越来越大。据中国助力车专业委员会不完全统计,2004年中国电动自行车产 量约达500万辆。以每辆电动自行车平均需要0.3公斤烧结钕铁硼计算,需用磁体1500吨(折合毛坯近2500吨);由于国外劳动力成本等因素,加上中 国磁体价廉物美,一些涉及劳动密集型的行业,如电子变压器、电机、电感、电声,均转移到中国或第三世界国家,同时磁体的销售市场也在中国。

结 语

     中国磁性材料行业要从大国向强国转变,就要加速行业内的规模经济建设,发展强强联合,要有若干个年销售收入达到100亿的企业。中国企业必须要走出国门, 收购或合资国外企业,建立跨国公司,树立国际名牌。中国企业必须投入应用开发领域,配合整机开发磁性材料配套部件和组件,到2010年全行业争取达到产值 400亿人民币.    

     我国的磁性材料产业需要通过技术创新,继续加强稀土永磁材料的探索、加强高档稀土永磁材料的开发,使我国稀土永磁材料能保持持续发展。从整体上看中国磁性 材料技术水平接近国际水平,但没有自已的知识产权和创新的产品。重点扶植中国专利产品,如钕铁氮磁体,但必须要全行业和相关的配套行业一起合作。同时还有 产业的结构调整,中国的磁性材料企业一定要有自己特色的产品,在某一方面(价格、质量、市场占有率)领先全行业,使国内外其他企业无法竞争。中国的磁性材 料产品特点要低价优质,才能参于国际竞争。我国的磁性材料企业,加强自身的整合,不断提高管理和技术水平,通过与国外先进磁性材料企业加强合作,互助互 利,使磁性材料产业更好的扎根于中国,使中国的磁性材料产业更好的服务于全球。

参考文献:

[1]  罗  阳,围绕NdFeB磁材的专利态势分析,  新世纪NdFeB磁体的发展,  北京2002.4 p80~88
[2]  罗  阳, 21世纪中国磁体产业展望, 中国磁性材料产业中长期发展战略研讨会, 上海2004.11 p1~41 [3]  蒋  龙,粘结NdFeB永磁产业及安泰科技的战略,2004年中国稀土永磁材料论坛,p24~30
[4]  王震西, 胡伯平, 稀土永磁的产业现状及应用,  2004年中国稀土永磁材料论坛, 北京2004.11 p1~7 [5]  杨应昌,开发中的新型永磁材料:稀土-铁-氮间隙型化合物, 中国稀土学报, 1994(12) p513~519 [6]  喻晓军,王冬玲等,稀土永磁材料的技术发展近况,2004年中国稀土永磁材料论坛,北京2004.11 p42~48
[7]  十一五”磁性材料行业发展规划纲要, 中国磁材商情网,
[8]  Terry K. Clagett, Proc. of 2004 BM SyMPOSIUM (Tokyo, Dec. 3, 2004)
[9]  罗阳,2004中国国际新材料产业研讨会(Sept. 23.2004北京),磁性材料专业论坛文集,p.64~80.
[10]  JABM提供的数据(Dec. 2, 2004, Tokyo, Japan)。 [11]  贾贵元,Proc. of 2004 BM SYMPOSIUM (Tokyo, Dec. 3, 2004)
[12]  陈浩,陈国华, 中国磁性材料产业中长期发展战略研讨会, 上海2004.11 p42~54

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