磁材行业风起云涌:磁性材料产业链分析、及行业重要公司整理

时间:2022-09-29 11:09:04 作者:鼎博官网登录 来源:鼎博娱乐平台 asycn

  磁性是物质最基本的性质之一,来源于不对称电子的运动产生的磁矩,其相应磁矩分别称为自旋磁矩(铁、钴、镍及其合金的磁性)和轨道磁矩(稀土永磁的磁矩)。

  铁磁性(包括亚铁磁性)体:铁、钴、镍、铁氧体、稀土永磁等,表现很强的磁性;

  完全抗磁性体:超导体磁性材料是应用广泛、品种繁多的重要功能材料,按应用类型大致可分为软磁、永磁等材料。

  ➢ 软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料,易于磁化,也易于退磁,如同一个可以快速充放水的水池。其主要功能是导磁、电磁能量的转换与传输,广泛用于如电感、变压器等各种电能变换设备中。软磁材料主要包括金属软磁材料、铁氧体软磁材料以及其他软磁材料。

  ➢ 永磁材料,又称“硬磁材料”,指的是一经磁化即能保持恒定磁性的材料,如同一个一旦充水就保持常满的水池。永磁材料广泛应用于电声、电子电器、电机、机械设备等领域。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等。

  利用上述功能,人们在很早之前便开始制作指南针、变压器、马达、扬声器、磁致伸缩振 子、记录介质、各类传感器等各种各样的磁性器件,被广泛应用于机器人、计算机、工作母机等产业机械,以及汽车、电脑、音响、电视机、手机等我们每天都能接触到的物件上。

  近年来,磁性材料在非晶合金、稀土永磁化合物、超磁致伸缩、巨磁电阻等新材料相继发现的同时,得益于组织的微细化、晶体学方位的控制、薄膜化、超晶格等新技术的开发,其特性显著提高。这些不仅对电子、信息产品等特性的飞跃提高做出了重要贡献,而且成为新产品开发的源动力。

  基于不同的磁材具有不同的特性,人们给各类磁材定义了其最匹配的工作环境:软磁(硅钢、合金软磁、铁氧体、非晶合金、非晶纳米晶):

  硅钢材料因为含铁量高,其饱和磁感应强度高、磁导率高,匹配高压大电流的高功率工作环境。但是同时也是因为含铁量高导致电阻率低,在高频下产生的涡流损耗大、发热严重,更适用于 10kHz 以下低频的工作环境。因此,硅钢软磁材料被广泛应用于变压器、电机等低频高功率场景。

  合金软磁材料多为铁硅、铁硅铝合金,兼具高饱和磁密、高磁导率与高电阻率的优点,匹配中高频、中高功率的应用场景。但当涉及到 1.5MHz 以上的更高频的工作环境时,涡流损耗成为铁损的大头,电阻率变得尤为重要,合金软磁的电阻率相比于铁氧体仍低了不少,便略逊一筹了。因此,合金软磁适合 20kHz 到 1.5MHz 的中高频、中高功率的工作环境,广泛应用于消费电子、光伏、新能源车等场景中。

  铁氧体本质为一种陶瓷材料,由三氧化二铁组成。归功于其致密的氧化层,铁氧体的电阻率是目前所有软磁材料中相对最大的,因而在高频下可以有效降低变化磁场引起的感应电流带来的涡流损耗,锰锌铁氧体适合 20~1000kHz 的中高频,镍锌铁氧体适合 1M~几百兆 Hz 的高频。但是同样由于铁氧体中铁含量不高,使得铁氧体的饱和磁感应强度不高,在大功率环境下容易饱和。因此,铁氧体适合高频低功率、弱电的工作环境,广泛应用于消费电子、通信等场合。

  非晶合金矫顽力显著低于硅钢,磁导率和电阻率显著高于硅钢,具有优秀的软磁特性。目前非晶合金广泛应用于配电变压器等领域,非晶变压器的空载损耗相较硅钢变压器可降低 70%,是电网提效改造的优选。

  纳米晶软磁材料工作环境与合金软磁、铁氧体皆有重叠,是重点发展的高性能软磁材料。

  得益于较高的磁导率与饱和磁感、较低的矫顽力特性,纳米晶材料在 kHz 频段有非常好的效果。如在对磁导率要求极高的无线充电应用中,纳米晶作为薄且高磁导率的材料,作为隔磁片被广泛应用。当频率上升到 MHz 段时,纳米晶因为电阻率不及铁氧体,损耗略高。

  铁氧体永磁与稀土永磁应用场景相近,相较而言,稀土永磁是磁性能更好的永磁材料,具有更大的磁能积与更高的矫顽力。铁氧体永磁的缺点是因为磁能积相对较小,导致电机体积较大,且材质硬而脆不适于加工,主要应用于微型电机如汽车雨刷器马达、电动座椅马达、摇窗器马达等场景。稀土永磁是更有发展前景的硬磁材料,缺点是温度稳定性不高且价格较贵,主要应用于对磁性能要求高的电动汽车电机与体积要求较高的精密电子等场景。

  所谓高功率密度,就是追求电源系统内部功率转换器小型化的同时,实现高效的大功率输 出。要在更小的体积下实现同样大小功率的传输,便意味着开关频率的提高。

  可以形象地理解为:需要运送 100 吨货物(总能量需求),大货车由于速度慢(开关频率低)每天只能运送 10 次,每次需要运送 10 吨(电感体积大);但一辆小轿车由于速度快(开关频率高)每天可以运送 20 次,每次只需要运送 5 吨(电感体积变小)。

  因此,未来软磁材料将要适配更高的工作频率与功率,也对于软磁材料的性能提出了更高的要求。

  随着频率的升高,对于损耗的要求越来越高,对于软磁材料而言,高频下高电阻率是关键。

  500 kHz 及以上的中高频,剩余损耗逐渐占据主导地位,同时随着频率的增高,涡流损耗也会大幅度增高。因此,缩小晶粒尺寸、提高电阻率是频率提高时降低功率损耗的重要路径。除对于更高电阻率的要求外,还要求:(1)软磁材料具有高饱和磁化强度以保证元件有较小的体积;(2)软磁材料有足够高的磁导率和较低的矫顽力,以保证元件单位体积的高储能和对外界灵敏的相应;(3)软磁材料的磁导率有较高的热稳定性和频率稳定性。

  金属软磁材料的优点在于高磁导率,高饱和磁化强度,但是因为电阻率较低,涡流损耗较 大,适用于低频高功率的工作环境。常见的金属软磁材料分为两组:Fe 系合金和坡莫(Fe-Ni)合金。

  硅钢是 Fe 系合金的代表,是交流电器用的较理想的材料,主要用于制作变压器、发电机等器材和逆变器等电感元件。在铁中添加硅可使硅钢的晶体磁各向异性常数和磁致伸缩常数下降,可以达到矫顽力低、磁导率高等所期望特性,并可显著提高电阻率,减少铁损耗。

  但是随着硅含量的增加,加工性变差,因此硅质量分数5%一般是硅钢制品的上限。

  但是硅钢因为电阻率小,在高频环境下因感应电流产生的涡流损耗大、发热严重,因此主要应用于 50Hz~2kHz 的中低频。

  硅钢又分取向硅钢与无取向硅钢。取向硅钢的含硅量高于无取向硅钢,晶粒朝一个方向排 列,因而磁感高、铁损低,主要用于变压器等场景;无取向硅钢的晶粒排列杂乱无章,但韧性更好,主要用于电机等场景。因取向硅钢制作工艺更加复杂,价格一般为无取向硅钢的 3 倍左右。

  Fe 系合金还有诸如纯铁(雾化铁粉、羰基铁粉等)、铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金等。 诸如铁硅和铁硅铝合金等在高频率和高功率的工作环境之中做了权衡,一方面弥补了硅钢在高频率下损耗大的问题,一方面弥补了铁氧体在高功率下饱和磁通密度不足的问题,适用于 20kHz 到 1.5MHz 的工作环境,应用于光伏储能、新能源车充电桩、变频空调、UPS 等领域。

  Fe-Ni 系坡莫合金具有很高的磁导率,但饱和磁通密度较小,且居里温度较低,温度稳定性不理想。

  软磁铁氧体是以 Fe2O3 为主成分的磁性氧化物,适用于 MHz 段高频低功率的工作场景。

  主要应用于电子系统中电磁信号的感应、耦合、转换、变换、传输、隔离、吸收,最大的用途是制作各种电子变压器、电感器、滤波器 (EMI)等。

  软磁铁氧体的特点使饱和磁通密度小、矫顽力小,但磁导率大。另外,归功于其致密的氧化层,电阻率非常高,故涡流损耗小,因此作为高频工作环境的磁性材料被广泛使用。软磁铁氧体由于是烧结体,烧结前易于形成各种形状,但性质脆、易破碎。软磁铁氧体还有优良的耐腐蚀性和抗氧化性、价格便宜等优点。

  非晶合金又名金属玻璃,是 21 世纪兴起的一种新型功能材料,具有独特的内部结构。相较于传统晶态合金,非晶合金中原子无规混乱排列,不再表现为长程有序,故电阻率比晶态合金高约三倍,从而大大降低了涡流损耗;同时非晶合金没有磁晶各向异性,且也不存在微观结构缺陷(如位错、晶界等),从而磁导率高、矫顽力低,另外非晶合金具有更高的强度和优异的耐腐蚀性能,因而得到广泛关注。

  目前,非晶合金材料主要应用于配电变压器领域。除非晶合金之外,配电变压器使用的另一种主要材料是硅钢材料。与硅钢材料相比,非晶合金材料具有突出的节能环保特性。在制造侧,非晶采用的是急速冷却工艺制成,从钢液到非晶合金薄带制品一次成型,硅钢采用传统钢铁冶金制备工艺制成,非晶合金的生产工艺流程显著短于硅钢产品;在应用侧非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力、高电阻率等材料特性,电磁能量转换效率显著优于硅钢材料,非晶变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达到70%左右,实现使用节能;在回收侧,废旧的非晶铁心可通过中频炉重熔后制成非晶合金薄带,非晶铁心中的硅、硼元素基本可以实现回收再利用,实现回收节能。

  纳米晶主要指铁基纳米晶合金,是由铁、硅、硼和少量的铜、铌等元素经急速冷却工艺形成非晶态合金后,再经过高度控制的退火环节,形成具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料。

  纳米晶材料得益于其高饱和磁密、高磁导率、高居里温度的优点,在追求小型化、轻量化、复杂温度的场景下,相比较于铁氧体软磁材料有着显著优势,主要用于生产电感元件、电子变压器、互感器、传感器等产品,可以应用于新能源汽车、消费电子、新能源发电、家电以及粒子加速器等领域,特别是近年来纳米晶合金材料在新兴产业领域无线充电模块和新能源汽车电机等应用的逐步推广,纳米晶合金材料有望迎来广阔的市场增长空间。

  永磁材料一般是指对铁等的吸引力强,残留磁通密度、矫顽力都大,温度特性优异的永磁 体。永磁体可以认为是不从外部供给能量,也可以使外部磁场持续发生的一类部件,其实质是拥有高矫顽力,一经外部磁场磁化后,即使在相当大的反向磁场中也能保持大部分原磁化方向的磁性。

  永磁材料同时还要兼顾优良的加工性能,而且小型、轻量、低价等也是考虑的因素。当然,满足全部性能要求的永磁体并不存在。磁力强的材料往往温度稳定性差,如稀土永磁在高温下退磁严重,而磁力弱的材料往往价格较低,优点和缺点往往相互折中。

  因此在 选择永磁体时往往要根据使用目的、性能要求和价格因素等选择最合适的品种。

  从材料的角度分类,永磁体可分为非稀土类金属磁体(金属永磁)、铁氧体永磁及稀土永磁三类。

  按实现块体化的方法分类,永磁体可分为非稀土类金属磁体(铸造永磁)、黏结永磁、烧结永磁及热加工永磁四类。

  在实用永磁体中,金属永磁(铝镍钴永磁体)磁通密度高,温度特性优良,但矫顽力低容易退磁,且价格较贵;铁氧体永磁磁通密度低,温度特性差,但矫顽力高,价格便宜;稀土永磁(钕系永磁、钐系永磁)磁通密度高、矫顽力高,但温度特性各异、且价格昂贵。

  综合看,对于一般应用来说,铁氧体永磁属于现有使用永磁体中性价比较为优秀的一类。

  永磁体的应用极为广泛,从扬声器、话筒、电表、按键等小型部件,到大型部件如风能系统的风力发电机及 MRI 的磁场施加装置等。

  铁氧体以氧化铁为主成分,一般显示亚铁磁性,作为电力、电子相关的磁性材料被广泛使 用。铁氧体按晶体结构不同,大体可以分为三种类型:

  1)尖晶石铁氧体:最常见的铁氧体软磁材料,典型的有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铜锌铁氧体等,特点是磁导率高、电阻大,从而使磁性体中产生的涡流损耗小,因而被高频线圈及变压器中的磁芯材料广泛应用;

  2)六方晶铁氧体:六方晶铁氧体基于其六方结构,磁各向异性大,从而拥有较大的矫顽 力。代表性的有锶铁氧体和钡铁氧体,作为永磁体有广泛应用;

  3)石榴石铁氧体:这种铁氧体也成为稀土类铁石榴石,典型代表使 YIG 钇铁石榴石,属于软磁材料。

  稀土永磁指永磁材料中加入稀土类元素而制成的永磁体,其代表有钐钴永磁(217)、 钕铁硼永磁(214)等。

  无论是哪一种,饱和磁通密度都很高,具有一般铁氧体永磁不具有的优良磁学特性。不同稀土永磁中各元素所占比例不同。

  1~5 系钐钴永磁的组成比为:钐 36%,钴 64%;钕铁硼永磁组成比为:钕 33%,铁 66%,硼 1%。因为钐和钴的产量都很少,所以钐系永磁供应紧缺。

  相比之下,以铁为主体的钕系永磁在原材料供应上要缓和许多。另外,钕系永磁的磁能积也比钐系永磁更大。

  本章的目的主要为介绍各磁性材料的制造工艺及流程,方便读者了解每种材料需要精进的 方向与其实现路径,以及各种工艺的痛点难点。

  工艺的进步是为了使磁性材料达到更好的磁性能,磁性能的优劣不仅取决于材料本身的特 性,也很大程度上取决于生产流程中每一个环节的技术精进程度。对于软磁材料而言,应具有四高四低的基本特点:高磁导率、高饱和磁感强度、高电阻率、高频率稳定性;低矫顽力、低损耗、低磁致伸缩系数、低磁晶各向异性。

  硅钢片生产工艺较为简单,且成本较低。为符合实用条件,在硅钢片的生产过程中,常选用某一方向为易磁化方向,再通过对变形再结晶组织轧板,使其产生板织构,织构中的磁畴定向排列。以热轧硅钢为例,在制作中首先将硅铁熔融后进行浇铸、热轧,达到 0.2~0.35mm 厚度,再通过一、二次退火使加工组织再结晶。

  冷却干燥后刷上涂层,即可得到成品。当前,高效电机的技术进步要求硅钢片越来越薄。

  在电机中,定子所用的硅钢片涂上绝缘涂层后粘在一起,更薄的硅钢片意味着更低的涡流损耗。

  2017 年,中国宝武、首钢相继批量开发出 0.18mm 薄规格取向硅钢,但 0.1mm 以下的高性能超薄取向硅钢仍被日本垄断,一些民企的产品质量与稳定性仍与进口产品存在较大差距。

  我国目前超薄硅钢材料被“卡脖子”的主要原因包括:高品质无底层硅钢母材制备难度大、晶粒生长控制难度大、绝缘涂层附着力与温度稳定性低、冷轧退火涂覆等机组装备水平较低等。

  合金软磁粉芯的制备流程大致可分为制粉、包覆、压制、热处理四个阶段,每一个阶段的技术水平都对粉芯制成品的性能有较大影响:

  (1)制粉环节:磁粉性能的优劣与合金成分、晶粒结构、粒径大小、颗粒形貌等密切相关。例如合金成分的配比可改变磁性能与加工性能,雾化法比球磨法制得的粉球形度更好,有更好的绝缘包覆效果、涡流损耗更小等。

  (2)绝缘包覆环节:常用方法分为湿法包覆与干法包覆(以云母、石蜡等进行包覆),湿法包覆又分有机包覆(有机溶剂进行包覆)与无机包覆(使用磷酸、硝酸进行钝化)。无机包覆的退火温度比有机包覆高,可更好释放粉芯内部应力,提高磁导率、降低磁滞损耗。

  (3)压制成型环节:将磁粉、黏结剂与脱模剂放入模具中压制成型的过程,其中,对压力的控制尤为关键。压力大可以使分布式气隙占比小,增大磁导率;但压力过大,又容易使粉体表面绝缘层破裂,增大涡流损耗。研究表明热压成型是综合效果较好的压制方法。

  (4)热处理环节:退火处理的目的是消除内应力与缺陷,修复晶格缺陷,有利于提升磁粉芯的磁导率。其技术难点主要在于热处理温度、保护时间、保护气氛、升温速率、冷却方式等。

  以铂科新材生产合金软磁粉芯的工艺流程为例,公司采购铁、硅、铝等原材料后,利用雾化系统、压机、喷涂机等机器设备,完成气雾化原料粉生产、过筛、绝缘包覆、混粉等工序,制成合金软磁粉。

  之后,在已经制成的合金软磁粉的基础上,完成压制、退火、检测、浸润、喷涂等工序,最终制成合金软磁粉芯。

  非晶态材料处于结晶化前的中间状态,可用气相急冷法、液相急冷法、缺陷导入法、扩散反应法制取。从原理上说,只要将转变过程中某些非平衡状态“冻结”下来,就可能得到非晶态。

  1)薄膜离心急冷法:也称为“泼冷法”,原理为利用高速气流冲击一小滴熔融金属,使之在高速旋转的冷铜盘表面上凝固成薄膜;

  2)单辊急冷法:使合金熔体喷射到一个快速转动的冷却铜辊表面,形成薄而连续的非晶合金条带;

  3)双辊薄带浇铸法:该方法结合浇铸与热轧于一道工序,能够一步连续生产平板轧材,在生产成本上显著优于传统生产方法。

  以云路股份为例,其工艺将处于熔融状态的高温合金熔液喷射到高速旋转的结晶器上,熔液以每秒106℃的速度迅速冷却,仅用千分之一秒的时间将约1600℃的熔液降到200℃以下,形成非晶合金薄带。

  非晶合金薄带生产工艺的特点决定了其产品质量控制需要在极短的时间内完成,因此对生产设备精度要求高,且控制难度大。

  纳米晶超薄带的前端生产工艺与非晶合金薄带基本一致,主要包括熔炼、保温、制带、卷 取、剪切、退火和包装等环节,在形成带材的基础上进一步经过适当退火,形成具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料。

  纳米晶带材的核心产品指标包括带材宽度和厚度:带材宽度直接决定了材料的利用率和加工效率,宽度越宽则带材的利用率越高,对于带材生产工艺的要求也相应较高;带材厚度直接影响材料的磁导率,在其他条件相同的情况下,纳米晶带材的厚度越薄,其材料在高频条件下磁导率越高、损耗越低。

  按制造方法的不同,钕铁硼永磁体分为两大类:烧结永磁体和超急冷永磁体。前者多为块体状,主要满足高矫顽力、高磁积能的要求;后者用作黏结永磁体,主要用于电子、电气设备的小型化应用领域。从永磁体未来的发展来看,要达到高性能永磁体条件有三:1)饱和磁化强度尽可能大;2)矫顽力大;3)高温稳定性好。

  钕铁硼永磁体的制作工艺烧结钕永磁体通过粉末在磁场中成型,经液相烧结制作。该工艺首先将原料进行真空冶炼,使溶液流在单辊上,经急冷制成 Nd-Fe-B 的合金。使其吸氢破碎,进一步机械粉碎制成单磁畴粉末(大小为 3 微米)。在磁场中使这种粉末在一定取向的同时价压成型,接着高温烧结并进行时效处理。烧结时,熔点低的富 Nd 相熔融,作为粘结剂将晶体取向一致的晶粒强固地结合在一起。再将其研磨,进行表面处理。在这种状态下并不具有磁力,如果通过大电流线圈进行充磁,则成为永磁体。

  黏结永磁体是使磁性粉末与橡胶或塑料等黏结材料相混合,成型为所要求的制品。

  与烧结永磁相比,黏结永磁可以一次成型无需二次加工,且可以加工为形状非常复杂的磁体。

  该方法使用的磁性粉末多为磁学性能优良的锶铁氧体、钐钴、钕铁硼、钐铁氮等稀土永磁, 制备出来的永磁体可弯曲甚至折叠,克服了永磁体一般硬而脆,且加工困难的问题。当然, 由于黏结永磁体中加入了大量的黏结材料,磁积能不会很高,磁力强度也比不上烧结永磁 体。

  黏结永磁体因为其加工性、耐震动性、耐冲击性优良,被广泛应用于振动冲击大的车辆用马达、电冰箱中的密封条、广告牌用的压钮等。

  磁粉的最终性能与粉末的微观组织形貌、晶粒大小、晶粒完整性、杂质含量、氧含量密切相关;从磁体成型来看,磁粉的形状、粒度和粒度分布、松装密度、压坯密度、理论密度、流动性、取向度、磁性能等也会影响到磁体的性能。

  而这两方面的参数都由制粉的方法来决定。例如,钕铁硼烧结永磁要求磁粉是取向良好的单畴粉末,即粉末粒度小、分布窄、呈单晶体、具有良好的球形度、颗粒表面缺陷较少、吸附气体量和杂质尽可能少。

  黏结磁体要求粉末具有良好的稳定性、表面完整、具有高的剩磁、良好的流动性与恰当的粉末配比以获得高的粉末/黏结剂充填率,对于各向异性磁粉要求具有良好的取向性。钕铁硼制粉方法较多,主要有熔体快淬法(MQ)、气喷雾法(GM)、机械合金化法(MA)和氢处理法(HDDR),其中以 MQ 和 HDDR 应用最为广泛。

  超急冷处理下的钕铁硼晶粒平均粒径为 50nm,烧结法处理下的晶粒平均粒径约 10 微米,HDDR 处理下的晶粒平均粒径约为 300nm。

  从当前的研究方向来看,对应温度相关性问题,有添加镝(Dy)来实现温度特性稳定的高矫顽力;有通过技改实现晶粒直径和元素分布优化以提高矫顽力的路径;有通过籍由界面纳米结构控制提高矫顽力的技术路线等。但是添加稀土元素又增加了成本,因此,降本增效成为了稀土永磁行业发展的重要发展目标,晶界扩散技术应运而生。

  晶界扩散技术是 21 世纪钕铁硼甚至整个永磁行业的一个重大的技术革新。它在实现高矫顽力、高磁能积的同时,能制造出少重稀土甚至无重稀土的高性价比磁体。在实际工业生产中,使用晶界扩散工艺可降低重稀土消耗 50%以上。

  随着新能源汽车、大型风电系统和 5G 基站在未来的大量采用,低成本、高矫顽力钕铁硼磁体的需求将持续增长。这对晶界扩散技术提出了更高的要求。通过晶界扩散,有效提高厚磁体( 10 mm)的矫顽力是今后需要攻克的难题。

  晶界扩散的概念是针对薄型磁体提出的,扩散剂在沿着晶界扩散的过程中,扩散效果会随着磁体厚度增加而下降。

  目前工业上使用的晶界扩散剂主要是含有重稀土的单质、合金或化合物,其中化合物主要包含氧化物、氟化物和氢化物,采用表面涂敷的方式。

  但是,不同扩散剂的扩散速率有明显差异,如图所示。在许多情况下,通过表面扩散的方式,重稀土元素倾向于在磁体表面聚集,从而在214相周围形成厚度为 1~2的富重稀土的壳层。但研究表明,20 nm 厚的富重稀土的壳层已经能起到足够的矫顽力提升效果,形成过厚的壳层会导致重稀土的不必要消耗。

  另一方面,重稀土在沿磁体厚度方向的扩散深度有限会导致厚磁体的矫顽力增幅不足。目前的工业生产中,大部分进行晶界扩散处理的磁体厚度都小于 4 mm,很少超过 8 mm。然而,考虑到电动机和发电机的使用安全,在高于 125℃应用环境,应该优先采用厚磁体(10 mm)。

  1)提高扩散剂的扩散效率;2)利用原位晶界扩散技术;3)多层晶界扩散技术。

  除此之外,还应考虑进一步降低扩散剂的材料成本、利用晶界扩散中的各向异性行为等技术进步路径。

  此外,传统的晶界扩散需要在磁体致密化成型以后,因为烧结磁体存在多相结构,导致磁体耐腐蚀性差,因此需要额外添加扩散物涂敷和扩散热处理工艺,工艺流程变长,增加了工艺成本。

  如果能与磁体现有的制粉、致密化成型和后续烧结工艺相结合,将进一步优化工艺流程,降低材料加工成本。

  在气流磨、混粉压制和烧结及热处理阶段可以将晶界扩散工艺融入进去。为减少工序,最有效的方法是将晶界扩散热处理与钕铁硼磁体的烧结与时效处理相结合。

  在磁体冷压生坯的表面涂敷上扩散剂后进行烧结,烧结过程中晶界扩散与磁体致密化同时进行,如此便可综合原位扩散和传统扩散的优势,用简单的工艺制备出“表面强化”的磁体。

  早在 2000 年初国内便出现了一批主营业务为软磁/永磁铁氧体的上市公司,包括北矿磁材 (北矿科技)、天通股份、横店东磁等,并不断有诸如江粉磁材、龙磁科技等新企业入局。 永磁/软磁铁氧体属于电子元器件,其上游主要是钢铁制造行业,提供主要原材料包括铁鳞、 铁红、碳酸锶、四氧化三锰、氧化锌、氧化镍等;下业主要有汽车、计算机及办公设 备、家电、消费电子等。

  合金软磁所需的主要原材料包括铁、硅、铝、铜铝导线等主料及氮气等辅料,上业为钢铁制造业、硅制造业、铝制造业以及铜制造业。

  公司软磁粉芯及相关电感元件应用较广,故下业较为广泛,主要包括新能源汽车及充电桩行业、变频空调行业、电源行业、光伏发电行业等

  铁是生产磁粉和磁芯的重要原材料之一,铁的价格直接影响合金软磁粉和合金软磁粉芯的制造成本。铜铝导线是电感元件的重要原材料之一,铜铝价格也直接影响电感元件的制造成本。

  稀土永磁材料产业链上游主要是稀土矿开采、稀土冶炼及能源电力行业,下游是消费电子和基础工业等传统应用领域,以及新能源和节能环保等新兴应用领域,包括风力发电、新能源汽车及汽车零部件、节能变频空调、节能电梯、机器人及智能制造等。

  2011 年,受国家稀土利用保护政策和更严格的环保政策的影响,叠加稀土下游需求增长与市场信心的加强,稀土价格出现了快速上涨,随后稀土价格大幅下跌。

  2012 年以后,国家出台了一系列政策保证稀土产业健康发展,2015-2016 年,稀土价格趋于稳定,2017 年 1-9 月,稀土价格出现了较大涨幅,2017 年 10-12 月有 所回落。

  在非晶合金薄带的产业链中,上游为原材料,主要包括铁、硼、硅等金属原材料。非晶合金薄带通过剪切、成型、热处理等工艺制成非晶铁心,非晶铁心是制作非晶配电变压器的核心部件,主要应用于配电、轨道交通、数据中心、新能源发电等行业领域。

  近年来,我国磁性材料应用水平明显提升,产品档次明显提高,磁性材料产业总产值已由 2015 年的 600 亿元增至 2020 年约 800 亿元。稀土添加高性能铁氧体材料、新型软磁复合材料、高性能稀土永磁材料等加速发展,磁性产品结构不断优化,有效支撑了高速铁路、节能环保、信息化与自动化工程、新能源装备等工程顺利实施。

  我国已成为全球磁性材料产量最大的国家。2020 年我国永磁铁氧体产量已经超过全球产量 的 78%,软磁铁氧体产量超过全球产量的 73%,稀土钕铁硼永磁产量超过全球产量的 90%。

  1)产能分散,竞争分化:我国磁性材料企业众多,产业小而分散,一千多家企业分配 800 多亿市场,与日韩企业相比,企业在国内外的市场竞争难以拥有强大竞争力和线)对高性能磁材行业来说,技术壁垒、规模和成本优势缺一不可,面对不同应用领域的差异化竞争有利于全行业技术水平的深化与提高,实现共同发展。

  3)中小微磁材企业创新实力不足,新型磁材技术发展步伐相对缓慢,开拓新领域能力偏 弱,且企业知识产权储备缺乏带来行业隐忧,抵御原料价格波动能力有限。

  近年我国永磁铁氧体产能和实际产量将维持相对平稳上升势头发展,质量的提高和价格的竞争将是推动企业差异化发展的主要因素。

  我国是全球最大的永磁铁氧体生产国家,在 2019 年国内永磁铁氧体产量约为 53 万吨。就 2015-2019 年我国永磁铁氧体产量趋势来看,近五年永磁铁氧体产量均在 50 万吨以上,其中 2018 年产量达到最高,约为 55 万吨,根据新思界,预计未来永磁铁氧体行业仍呈现平稳发展趋势,产量维持在 50 万吨左右。

  我国永磁铁氧体生产企业约 340 家(包括烧结和粘结,含挤出成型、压制成型和注射永磁铁氧体),上市企业有:横店东磁、北矿磁材(北矿科技)、江粉磁材(领益制造)、中钢天源、龙磁科技等。

  各类永磁电机磁瓦为主要品种,以新能源、汽车电子电动工具、医疗电子、 工业和消费电子和节能电机为主要和重要市场。

  国内产能超过160万t,传统产品竞争依然激烈;2021Q3以来,头部公司平均毛利率23.28%,相较2020年(24.65%)微降;部分企业利润增长,多数企业利润稳中有降,由于原料价格大幅度上涨,已经有部分中小微企业微利甚至亏损。

  总体上看,当前稀土永磁产业形势良好,规模总体增速稳定,科研投入和自主创新能力提 高,但整体水平仍然偏低。

  产业区域化集中的趋势显现,设备持续向国产化自动化智能化的方向发展,产品水平随之提升。

  从业人员整体素质稳步提升,高端人才稀缺,用工荒情况突出。部分原料波动中价格持续上涨,压缩企业利润空间,疫情和国际形势导致出口市场波动变化。

  中国稀土永磁产量、消耗量增长迅速,高性能钕铁硼需求维持高增速。2015年至2021年, 中国稀土永磁材料产量由约13.47万吨增加至约21.33万吨,据弗若斯特沙利文预计,2025 年中国稀土永磁材料产量将达约28.4万吨,2021年至2025年CAGR约7.4%。其中,高性能钕铁硼永磁材料的产量由2015年的约2.1万吨增加至2020年的约4.6万吨,预计2025年中国高性能钕铁硼永磁材料的产量将达约10.51万吨,2020年至2025年CAGR约为17.9%。

  据行业协会统计,2020年稀土行业相关上市公司(20家)营业总收入1233.50亿元,同比增长25.43%,扣非净利润同比增长25.86%。

  2021Q3 年以来,稀土永磁头部公司行业毛利率维持在 21.3%,较 2020 年(20.4%)小幅增加,在稀土价格大幅上涨的情况下,实现了原材料价格扰动弱化,需求导向下中游实现传 导。在供应链先发优势、规模化、产品一致性稳定性、交付周期、ESG 体系等综合竞争中, 有望实现强者恒强。

  截至 2020 年底,我国从事软磁铁氧体生产的企业共约 230 多家,初具规模的企业约 100 多家。大多数企业的生产规模在 500t/a,1000t 以上的企业约 80 家,约 10 家企业能达到上万吨的产能。

  据中国电子材料行业协会磁性材料分会预计,2020 年我国软磁铁氧体产量将增长至 40 万 t,产值约 147 亿元,产量约占全球 73%(我国软磁铁氧体实际生产能力超过 50 万 t/a)。

  未来高频低功耗和宽温低低功耗为重要发展方向,高端消费和工业电子、新能源、云计算、物联网、4G 和 5G 通讯、电源供应器等新基建领域市场和新型消费电子为重要应用领域。

  国内产能超过 50 万 t,传统产品竞争趋激烈,并向中高端产品和市场传递,总 体企业利润持续振荡下降。受国内钢铁企业去产能整合及国外原料供应链变化,部分原材料价格将持续振荡上涨。

  磁粉芯外资生产企业主要有韩国昌星、美磁、阿诺德、韩国东部集团,这 4 家公司占据了 40%以上的金属磁粉芯市场,国内约五六十家生产企业,品质接近或达到国外水平。

  主要企业包括:横店东磁、安泰科技、天通股份、中钢天源、铂科新材、龙磁科技、东睦股份、吉恩镍业等。

  2019 年,我国各类金属合金软磁粉末加金属磁粉芯产量约 18 万 t,产值约 90 亿元;2020 年,尽管受疫情等因素影响,但疫情后需求刺激,2020 年与 2019 年相比增长约 8%,产量 约 19.5 万 t,产值约 100 亿元。

  目前,我国非晶纳米晶软磁行业仍处于上升发展阶段,但行业标准、流程没有统一。国内从事非晶纳米晶软磁合金材料生产的企业约 250 多家,万吨级企业约 10 家,产量接近或高于 3 万吨的标杆企业有:云路股份、安泰科技、兆晶科技等。

  总体看来,我国非晶纳米晶行业小规模企业较多,产品稳定性、一致性差、品质参差不齐, 性能指标离散较大,其主要原因是有技术装备差、生产工序不全,检测手段落后,综合研发实力不强。

  2020 年在疫情等多因素影响下,我国家电、汽车、电脑等传统领域的应用比率下降,云计算、大数据、5G、物联网、无线充电、服务器、NFC、新能源汽车、逆变器等领域需求增速较快。

  据中国电子材料行业协会磁性材料分会预计,2020 年国内非晶带材产量约 4 万 t,总体非晶软磁带材、粉末和磁芯产量约 21 万 t,产能过剩严重。

  随着高效节能变压器的推广及非晶变压器招标占比的提升,有望拉动非晶带材的需求。

  公司为规模化生产全系列铁硅金属软磁粉芯的主要厂商。公司目前金属软磁产能可达 2.5 万吨。公司主要产品包括合金软磁粉、合金软磁粉芯、电感元件等,广泛应用于变频空调、光伏发电、UPS、新能源汽车、充电桩等新兴领域。

  主要服务客户包括 ABB、伊顿、华为、格力、美的、比亚迪等国内外知名企业,与客户维持长期稳定的关系使公司具备突出的优质客户优势。经多年研发累计与技术创新,公司具备突出的技术研发优势。

  公司自主研发掌握了低氧精炼技术、气雾化喷嘴技术、粉体绝缘技术、高密度成型技术、片状粉末制备技术、磁性复合材料技术等核心技术,使产品从磁粉、磁粉芯到电感元件均可满足下游应用的需求,为公司下游电能存储和变换提供了强有力的性能保证。

  公司在国内粉末冶金行业中处于市场领先地位。公司业务分为粉末冶金压制成形零件(PM)、 金属注射成形零件(MIM)和软磁复合材料(SMC)三大板块。

  通过其雄厚的技术实力和先进的制造装备,为下游新能源、5G 通信、消费电子、电力电子、电机等领域提供储能及能源转换方案,服务于全球跨国公司和各产业龙头企业,如上海富驰、东莞华晶等,在全球逐步形成了显著的市场与客户竞争优势。

  公司具备较强的技术吸收消化和再创新能力。公司积极推动信息化和工业化深度融合,自主设计和引进世界顶级设备技术,实现全流程追溯、快速高效的生产协同体系。

  同时,公司可根据应用需求设计各种新产品,帮助应用端提升产品力和性价比优势,全面制成公司高质量发展。

  软磁铁氧体目前生产品种最多、应用范围最广泛的是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列,具有高磁导率、高电阻率、低损耗等特点,可批量生产、加工成本低、性能稳定、机械加工性高。软磁铁氧体主要应用于通讯、家电及新能源等领域。

  目前国内产能超过 50 万吨, 企业规模普遍较小,产能达 3 万吨的企业主要为横店东磁和天通股份。

  公司为国内领先的软磁材料生产商,具有显著的行业规模与市场优势。截至 2020 年,公司铁氧体软磁产能达 3.5 万吨,永磁铁氧体产能 14 万吨。公司的核心客户集中于全球 500 强企业以及下业领先企业,如苹果、华为、特斯拉、博世、三星、松下等,与各领域高端客户有较好的合作关系,客户优势显著。公司的科技创新及产品开发能力突出。公司持续推进新能源领域相关技术及材料开发,设有研究开发机构、国家磁性材料技术中心、国家级企业博士后工作站等创新平台。

  公司研发的一系列高功率、高性能铁氧体软磁产品处于国际领先水平。其中,R18K超高磁导率软磁铁氧体材料产业化已被国家科学技术部批准为国家火炬计划重点项目。

  2020 年,公司产能释放,实现铁氧体软磁 3 万吨产能,在同行业处于领跑地位。

  公司产品包括锰锌铁氧体材料及磁心、镍锌铁氧体材料及金属软磁材料及制品、无线充电和 NFC 用磁性薄片等,大量应用于新能源、消费电子、工业电子等领域。公司围绕下游重要应用市场,进一步推进新品研发及技术创新。

  公司完成自动化改造及新技术应用,实现生产效率提升、产品结构优化,加速在无线充电等高毛利领域的渗透。同时,公司在电源供应器市场优势明显,通过装备及工艺革新,挖掘潜在市场,进一步扩展传感器及数据处理等领域的行业优势。

  公司产品包括稀土永磁材料及其制品、非晶及纳米晶材料,为绿色能源及节能技术等国家重点关注产业提供关键材料,广泛应用于新能源汽车、智能制造、高端消费电子等下游产业。

  公司开发出宽幅超薄铁基纳米晶带材连续化生产技术,制成各种铁芯、器件或屏蔽片等磁性元器件产品,实现性能高频低损耗并以此加大推广电子设备高频化、小型化、轻量化,积极拓展纳米晶铁芯在光伏储能、新能源汽车和节能环保等领域的应用。

  公司目前为行业内第一大非晶合金薄带供应商,年产能可达 6 万吨。公司主要客户分布于印度、韩国、越南等国,并与国家电网、奥克斯、日本东芝、ABB 等企业的达成长期合作关系。

  公司拥有国际领先水平的自主研发技术体系,并持续扩大公司研发投入。公司已实现非晶合金薄带产业化,研制出厚度达 28µm 的非晶合金薄带,建成万吨级非晶合金薄带生产线mm 大宽度薄带量产。

  经中国电器工业协会鉴定,目前公司掌握的非晶合金薄带等多项技术成果已达到“国际先进、领先”水平。

  公司持续研发累计和技术创新,引领新型应用市场并实现核心产品的大规模稳定量产。

  公司以稀土原材料及辅助金属材料,对钕铁硼磁钢进行设计与生产,其产品被广泛应用于风力发电、新能源汽车及汽车零部件、节能变频空调、节能电梯、机器人及智能制造等领域。

  公司与各领域国内外龙头企业建立了长期稳定的合作关系,已占据全球较大市场份额。

  公司在新能源汽车及零部件领域的客户包括特斯拉、比亚迪、联合汽车电子等,2020 年公司新能源汽车领域收入达到 3.26 亿,同比增长 48.07%。在节能变频空调领域客户包括美的、格力、上海海立、三菱等;在风力发电领域包括金风科技、西门子等。公司进一步推进科技研发与创新。

  2020 年,公司研发费用达 1 亿元,同比增长 60.44%。公司拥有晶粒细化技术,在取向压型方面掌握一次成型技术,以此提高毛坯环节的自动化水平,减少后续机械加工成本和产品磨削量。

  公司发明耐高温、高性能烧结钕铁硼材料的成分与制造技术,该技术成果达到国际领先水平。

  公司主要研究开发、生产和销售稀土永磁材料和新型磁性材料。公司在国内率先实现第三代稀土永磁材料钕铁硼的研究开发和产业化,从而推进了中国第三代稀土永磁产业的发展,并在全球市场占据一定地位。

  公司技术创新为产品革新提供支持。公司围绕低碳经济、新能源汽车、节能家电、信息产业等特殊应用环境,实现晶粒细化、晶界扩散、晶界调控等新工艺的研发,磁体综合性能不断提升,自身能耗逐步下降,原材料成本日益优化,并向市场提供具有较高综合性能及高温稳定性的产品。

  公司研发生产的高性能烧结钕铁硼永磁材料具有磁性能高、服役特性优、稳定性好等特点,主要应用于汽车工业、工业电机和高端消费类电子等工业产品领域。

  公司核心客户有德国标立、德国舍弗勒、德国大陆、德国采埃孚、美国耐世特、美国百得、英国邦迪、日本松下、日本电装、日本电产、日本牧田、中国中车等全球知名企业。

  公司自主开发晶界掺杂调控技术,建立超高磁性能、高热稳定性、低重稀土烧结钕铁硼永磁材料制备工艺体系,建立了磁体绿色高效表面防护,以及废旧钕铁硼磁体绿色再制造技术体系,在永磁材料产业拥有突出的技术优势。

  公司的产品结构由上市初期的风电为主流应用逐渐转变为“高性能钕铁硼永磁材料+新能源汽车电机驱动系统”的双主营业务为主的平衡发展格局。

  公司产品具有低重稀土、低失重、高一致性、高工作温度、高镀层信赖性等优异性能,处于国内领先、国际先进水平。公司坐拥三大核心技术,稳坐高性能钕铁硼永磁材料行业龙头。

  开创有中国特色的高性能钕铁硼技术路线,从而引领钕铁硼产业从高氧(>2000ppm)时代进入低氧(<1000ppm)时代,并为日后实现 TOPS(细晶技术)和 THRED(重稀土扩散技术)等技术的开发奠定了基础;

  可减小晶粒尺寸,从而减少磁体内部缺陷,提高矫顽力实现了重稀土低减化以至零重稀土化;

  通过重稀土在晶间相的扩散,达到使用少量重稀土实现高矫顽力和高工作温度的目标,是扩散理论在钕铁硼生产上的创新性应用。图 44:正海磁材近年营收稳定增长

  受政策市场价格等因素影响,光伏、新能源汽车、消费电子、5G 通讯、配电网等市场需求 增长可能不及预期。

  部分软磁、永磁材料受原材料影响,原材料价格波动对材料的需求与产品毛利率水平有一定影响。

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