通过活性晶界重构实现Nd-Fe-B污泥近乎完全的回收利用，进而制备高性能磁体

《Sustainable Materials and Technologies》：Achieving near-complete recycling of Nd-Fe-B sludge into high-performance magnets via active grain boundary reconstruction

　　

李鹏伟|卢清梅|刘琳|尚晓云|刘伟强|刘友豪|易晓飞|岳明

中国教育部先进功能材料重点实验室，北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124，中国

摘要

烧结Nd-Fe-B加工废渣的高值回收往往受到传统处理方法的环境影响以及再生粉末添加比例有限的制约。本文提出一种主动晶界重构策略，使得再生粉末的比例可高达95%，从而实现几乎完全的材料利用。首先通过深度净化和钙热还原脱氧得到低氧、近似球形的再生粉末。随后，通过球磨法在粉末表面涂覆稀土氢化物（NdH_x、TbH_x），以弥补成分损失，并在烧结过程中引导形成连续的非磁性薄晶界相。最优的再生磁体（RM-1080）表现出出色的性能恢复：剩磁B?为13.27 kG（95.9%），矫顽力H_c?为20.44 kOe（99.6%），最大能量积(BH)???为42.99 MGOe（91.9%），其温度稳定性与原始磁体相当。微观结构分析表明，所引入的稀土氢化物有助于形成薄而连续的晶界层，从而提升磁体的H_cj值。本研究表明，通过晶界工程可实现Nd-Fe-B废渣向高性能磁体的近乎完全回收，为稀土永磁材料的循环经济提供了可行的路径。

引言

烧结Nd-Fe-B永磁体是现代技术中不可或缺的关键材料，其应用范围涵盖电动汽车、风力发电机以及各类电子设备[1]、[2]、[3]、[4]。2023年全球烧结Nd-Fe-B磁体的产量已达206,000吨，预计到2027年这一数字还将上升至500,000吨[5]。随着全球对Nd-Fe-B磁体需求的不断增长，加工过程中产生的废弃物也在同步增加。切割和研磨操作产生的废渣约占Nd-Fe-B毛坯总质量的35%[6]。烧结Nd-Fe-B废渣主要由Nd-Fe-B粉末、切削液和冷却剂组成，其中含有丰富的珍贵稀土元素及其他合金元素，是一种重要的二次资源。高效回收这些废渣对于降低稀土供应链风险以及减少原生矿开采带来的环境压力具有重要意义[7]。

目前，传统的烧结Nd-Fe-B废渣回收方法主要依赖于湿法冶金[8]、[9]或火法冶金[10]、[11]工艺。这些方法通常需要彻底破坏Nd-Fe-B的微观结构，才能提取出各种元素或合金，然后再将其作为原材料重新投入生产流程。虽然这些方法能够有效回收稀土元素，但存在工序繁琐、能耗高以及会产生大量化学废物或排放物等问题，这与绿色可持续制造的理念相悖。鉴于全球稀土供应链格局的深刻变化以及日益激烈的资源竞争，开发绿色高效的废渣回收技术已变得十分迫切。

近年来，基于钙热还原-扩散技术的“原位再生”策略展现出巨大潜力[12]、[13]。该方法首先对废渣进行净化和钙基脱氧处理，可直接得到单相、球形的Nd-Fe-B磁粉[14]、[15]、[16]。所得磁粉可直接用于烧结新的磁体，从而最大程度保留原有的Nd?Fe??B主相及其元素特性。Yu等人[17]通过将65%的再生粉末与其他磁粉混合，成功制备出了磁性能得到良好恢复的再生磁体。其剩磁、矫顽力、最大能量积以及方形性分别恢复到了原始磁体的103.8%、73.1%、104.5%和102.2%，从而实现了Nd-Fe-B废渣的回收。尽管这类方法显著缩短了回收流程并降低了环境影响，但它们存在一个根本性的缺陷：由于氧化、污染以及颗粒形态的劣化，再生粉末的性能会下降。当混合比例增加时，往往需要大量高性能的新鲜磁粉或稀土合金来补偿，这不仅限制了废料的整体利用率，还削弱了回收过程的经济性和环保效益[18]。更严重的问题是，即便加入重稀土元素（如DyH_x）来提升性能，传统的批量掺杂方式仍难以在富含氧元素且缺陷众多的再生粉末体内构建理想的晶界结构，从而导致磁性能恢复不均衡，常常出现为提升矫顽力而牺牲剩磁的情况[19]。

本研究提出了一种全新的“主动晶界重构-再制造”策略，以实现烧结Nd-Fe-B废渣的近乎完全回收。“近乎完全回收”是指再生粉末在总粉末中的比例可达95%，其余少量则为用于成分补偿的稀土氢化物，无需额外添加原生磁粉或商业合金。该工艺包括通过净化和钙还原处理获得低氧、近似球形的粉末，随后再通过球磨法在粉末表面涂覆稀土氢化物（NdH?、TbH?）。这种表面工程旨在弥补成分损失，并在烧结过程中引导形成连续的非磁性薄晶界相。NdH?成分可以补充再生过程中损失的稀土元素，确保主相的化学计量比及其固有的磁性能；而TbH?成分则能提供较高的磁各向异性场，形成坚硬的磁外延层。本研究分析了再生磁体的磁性能、微观结构、磁畴演化以及退磁行为，阐明了其高性能恢复的机制，尤其研究了高氧环境下的晶界相作用。本研究旨在证明以Nd-Fe-B废渣作为主要原料来“再制造”高性能磁体的可行性。虽然目前的微量重稀土补偿策略仍需进一步优化以实现精确的成分控制，但这种高性能再生磁体的成分设计避免了使用高性能商业磁粉，从而降低了成本并减少了环境影响。这一方法为实现Nd-Fe-B废渣的完全闭环回收提供了可行的技术路径。

章节摘录

材料制备

本研究的研究对象是一种来自含有Dy和Tb的高性能烧结Nd-Fe-B磁体的多线切割废渣，记为OM。该原始磁体的性能指标为：剩磁B?为13.83 kG，矫顽力H_c?为20.52 kOe，最大能量积(BH)???为46.76 MGOe，方形性H?/H_c?为98%。其名义成分中稀土元素（TRE）的总含量为30.5%，其中Dy的含量为1.19%，Tb的含量为0.98%。该废渣的粒径中位数（X₅₀）为2.23微米。再生磁粉则是通过以下步骤制备的

结果与讨论

首先对净化后的废渣、再生磁粉以及经过球磨处理的改性再生磁粉进行了表征，其稀土元素和氧含量详见表1。在废渣处理的各个阶段，其微观结构、形态以及磁性能都发生了明显变化。如表1所示，经过钙热还原处理后，Nd元素的含量有所增加，而Pr、Dy和Tb元素的含量则略有下降。这一现象与

结论

本研究提出了一种“主动晶界重构”策略，可实现烧结Nd-Fe-B废渣向高性能磁体的近乎完全回收。通过深度净化、钙热还原脱氧，以及后续的球磨法涂覆NdH?/TbH?，得到了低氧含量、近似球形形态的再生磁粉，并实现了精确的成分补偿。在烧结过程中，稀土氢化物涂层起到了

CRediT作者贡献说明

李鹏伟：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，验证。卢清梅：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，指导。刘琳：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，软件相关工作。尚晓云：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，软件相关工作。刘伟强：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，资源准备，方法设计。刘友豪：论文撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了稀土永磁材料国家重点实验室的课题资助（编号：SKLREPM-PP-2025-01）的支持。