稀土磁性材料质量诊断研究

摘要： 钕铁硼永磁体是目前应用最为广泛的稀土磁性材料，但是国内生产的钕铁硼磁体其磁性能未能达到使用要求。本文基于稀土磁性材料生产工艺，借助鱼骨图分析方法，找出影响稀土磁性材料磁性能的重要因素，然后结合层次分析法，将所绘鱼骨图转化为层次结构模型，计算各指标因素相对于目标的影响程度，进而确定出影响其磁性的主要因素和次要因素，并据此提出合理可行的预防对策。

Abstract： Nd-Fe-B permanent magnet is the most widely used rare earth magnetic materials， but the magnetic property of current domestic Nd-Fe-B magnets always fails to meet the requirements. Based on the characteristics of rare earth magnetic material production process， the paper identifies important factors that influence the magnetic property of rare earth magnetic materials with the analysis method of fish-bone diagram， and then the author turns the fish-bone diagrams into an attribute hierarchy model with the ideal of AHP. It expresses the influencing force of each cause to the target with the method of quantitative analysis. So the main factors and secondary factors to the magnetic property of Nd-Fe-B magnets can be focused on and can put forward reasonable and feasible forecasting model.

关键词： 稀土磁性材料；质量诊断；鱼骨图；层次分析法

Key words： rare earth magnetic materials；quality diagnosis；fish-bone diagram；AHP

中图分类号：F253.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0145-05

0 引言

近年来，稀土凭借其特殊的元素组合特性，逐渐成为支持国家新能源、新材料、节能环保、电子信息等行业特别是国防军事领域发展的重要战略资源。稀土磁性材料是一种性能优异、应用范围广阔的永磁材料，目前市场应用最为广泛的市场主流稀土磁性材料是钕铁硼材料。钕铁硼材料在减小体积的情况下大幅度提高了产品的性能、节约能耗，符合现代战略新兴产业中倡导节能、减排、环保的技术发展需求趋势。但是目前国内生产的钕铁硼磁体其磁性能与理论相差太远，烧结的钕铁硼磁性材料性能差，易被腐蚀，应用范围窄，稀土磁性材料的质量亟待提高。在此情形下，质量管理成为稀土磁性材料生产企业必须解决的关键问题之一。质量控制与诊断是质量管理的重要内容，是实现预防原则、保持生产稳定的重要手段。随着生产的发展，质量特性值已经多元化。为了更好地进行质量管理，需要将这些特性值作为一个整体进行多元控制与诊断。所以，建立多元质量控制与诊断体系，是一个迫切需要解决的问题。

本文根据稀土磁性材料生产过程的特点，借助鱼骨图分析方法，综合考虑包头市稀土永磁材料厂生产管理实际情况，找出影响稀土磁性材料磁性能的重要因素，分层绘制形成鱼骨图。然后结合层次分析法，将所绘鱼骨图转化为层次结构模型，计算各指标因素相对于所研究目标即产品磁性能的重要程度，确定影响钕铁硼磁体的主要因素和次要因素，并据此提出合理可行的预防对策，对于提高稀土磁性材料的磁性能具有重要的意义。

1 鱼骨图和层次分析法介绍

鱼骨图又称为因果图或特性要因图，是用图来表示导致质量问题具体原因的方法。鱼骨图通常是以质量问题为出发点，从人、设备、原材料、操作方法和环境五个方面入手，从大到小，逐步搜索产生质量问题的具体原因，并在同一张图上用箭头把它们的关系表示出来，以便对质量进行改进。鱼骨图分析法在定性质量诊断中使用较广。对于管理者来说，使用鱼骨图分析问题，可以做到一目了然、思路清晰并且无所遗漏。实际操作中，具体作图方法如下：①明确所要分析的质量问题并将对问题有深度了解的相关人员组成工作组；②从人、设备、原材料、操作方法和环境五个方面出发，请各成员依次列出自己认为的引起问题的主要原因；③主要原因进一步细化，尽可能列出所有原因；④对鱼骨图进行优化整理做出最终的图形。

鱼骨图能够详尽地列出影响问题的所有因素，但是由于企业各种资源的约束，往往无法全部改进这些因素，在这些因素中有些是主要因素，有些是次要因素，企业通常会选择那些主要的影响较大的因素优先解决，这就需要首先确定各个因素的重要程度，对它们进行优先排序。层次分析法就能够实现这一目的，对这些因素进行定量的更详尽的分析。层次分析法的基本原理是将所有因素按所属类型从上而下分解成若干层，通过逐层比较各关联因素的重要性，分析出所有因素对于目标问题的重要程度，从而进行优先程度排序。具体步骤如下：①将问题所包含的因素分层，建立层次结构；②对同一属性的因素两两比较，构造判断矩阵；③对判断矩阵进行正规化处理求出原始判断矩阵中各因素的相对权重；④求层次总排序即合成权重；⑤对各判断矩阵进行一致性检验；⑥根据排序结果，做出综合分析。

运用层次分析法，在传统鱼骨图的基础上加入了定量分析，通过统计方法计算出末端因素相对于“鱼头”的优先排序，排序越靠前说明其对所要研究问题的影响能力越大，越需集中精力去解决。近年来，一些学者将二者相结合用于质量诊断，取得了不错的效果。罗宜美，黄胜延，曹式有[1]应用层次分析法的思想对某工厂A12立式车床加工换件准备时间过长的传统鱼骨图进行了改进，分析出所有影响因素中机床三爪行程小是最主要的因素，要着重改进。李振福[2]将鱼骨图和AHP方法相结合对北极航线问题进行了诊断，清楚的指出问题的主要方面和次要方面，并从国家层面和社会层面提出北极航线问题的解决策略。白少雪，陈全，李宗坤[3]综合考虑烟花爆竹行业安全评价的理论和经验，运用鱼骨图法对该过程发生的爆炸事故进行定性分析，找出导致事故发生的因素；再运用层次分析法进行定量分析，确定导致事故发生的关键因素是人的不安全操作行为，将这一因素应该作为事故预防的重点。胡玉琴，王殿生等[4]针对石油静电事故影响因素的复杂性、多层次性和不确定性的特点，采用鱼骨图分析法，找出了引发石油静电事故的影响因素，确定出6个主因素25个子因素的石油静电事故评价指标体系，应用层次分析法确定了各个影响因素的重要程度，分析出导致石油静电事故的重要因素，合理地解决了石油静电事故影响因素分析难题。张征，聂俊峰，傅斌贺[5]为有效地分析乘员信息处理过程中的失误影响因素，将鱼骨图和层次分析法两种方法相结合，用鱼骨图定性地辨识出4个层面16项因素，并将其导入层次分析模型，通过总排序和影响因素等级分别筛选出3个关键因素和3个重要影响因素，为预防研究提供一定的参考。

目前，未有学者将鱼骨图和层次分析法相结合应用于稀土企业产品质量研究，本文将这一方法引入到稀土磁性材料质量诊断中，先用鱼骨图分析方法找出影响稀土磁性材料磁性能的因素，再应用层次分析法将所有影响因素进行综合排序，根据排序先后顺序确定出稀土企业在生产过程中为了控制产品质量分别需要严格控制、有效控制和一般控制的因素。

2 稀土磁性材料质量问题诊断

2.1 稀土磁性材料生产工艺

包头市磁材厂生产钕铁硼磁体的工艺流程为：①熔炼：镨钕、硼、铁及其他元素在真空感应熔炼炉加热融化，融化液体浇铸到旋转的铜棍上，快速冷却，制得钕铁硼合金片；②氢处理：常温下氢气与钕铁硼合金片发生反应，反应时体积膨胀，合金沿晶界断裂，使钕铁硼的晶粒破碎，再加热发生可逆反应（脱氢），得到破碎的钕铁硼颗粒，利于制粉；③磨粉：在气流磨机内气流高速流动，带动钕铁硼颗粒反复碰撞，制得大小均匀的钕铁硼颗粒；④压型：在压机内高强磁场取向，使钕铁硼每一颗粒平行一致排列，压制后得到一定形状的生坯；⑤烧结：在烧结炉内加热，生坯排气、收缩，高温烧结后制得钕铁硼毛坯；⑥性能测试：利用磁特性测试仪测量毛坯磁性能；⑦机械加工、表面处理、充磁、包装：按照用户的需求直接压制成为各种形状的磁性产品并充磁、包装出厂，见图1。

2.2 质量源辨识-鱼骨图

稀土磁性材料质量问题是指磁体磁性能差，表现为烧结钕铁硼合金产品一致性差、稀土磁性材料的表面镀膜质量较差，表面欠致密，易被腐蚀、成品应用范围窄。本文总结了对包头市各稀土磁性材料生产厂的调研结果，并与专家讨论分析得出影响钕铁硼磁体磁性能的因素。影响因素主要包括以下五个方面：

①人（生产操作者）：操作者对与生产相关的理论掌握不充分，操作过程不顺利；工人对机器设备不熟悉，操作不熟练；企业对改进生产技术所必要的科研投入没有或不足；由于企业缺乏必要的体检程序或工时不合理等因素造成生产操作者体力不支，导致经常性的操作失误；企业对提高磁性产品磁性能缺乏有效的监督手段。

②机（机器设备）：钕铁硼永磁体生产过程中每一环节都有特定的生产设备，如气流磨出粒粒度大导致磨粉不彻底，直接影响到压型形成的生坯的质量；激光粒度仪测量粉体粒度时测量不精确，导致颗粒过大无法成型；压制过程中磁场压机中橡胶模磨损严重导致压力不足等。此外对所有设备而言，机器维修保养不及时以及设备操作过于复杂等因素也会影响到各环节产品的质量进而影响到成品磁体的磁性能。

③料（原材料及生产过程中的添加剂）：目前生产高性能的稀土永磁体需要解决的关键问题是钕铁硼永磁体产业中产品的稳定性和均匀性，而原材料成分不均匀、熔炼过程中引入杂质或被氧化、压型时添加剂的种类及用量不合理以及生产中的其他不同组分和微量元素的缺少控制等都是重要的影响因素。

④法（生产方法）：目前国外钕铁硼磁体的研究达到较高水平，其生产工艺已经不是传统的烧结磁体制备工艺，而是采用了而是采用了速凝薄带工艺制备合金、氢处理破碎和气流磨工艺制粉、橡皮模等静压工艺成型等一系列技术，是一种全新的烧结磁体制造方法，使磁性能得到大幅度的提升。而我国大多厂家生产手段仍然落后，造成所生产的永磁材料磁性能与理论相差甚远，如：熔融合金液体冷却速度慢，导致生产中α-Fe在铸片中产生，后续还必须要做等温热处理以及缺少富稀土相；钕铁硼合金片破碎工艺水平低导致合金的晶粒破坏，且富Nd相分布非常不均匀；磨粉时含氧量不足或过高导致磨粉效率低且粒度分布非常不均匀；烧结中粘结工艺落后使成品在烧结过程中开裂或产品硬度高；镀膜工艺存在缺陷致使稀土磁性材料表面镀膜质量较差，表面欠致密，易被腐蚀。

⑤环（环境）：生产车间的环境不仅影响操作者也影响机器设备尤其是某些测量设备的精确性。车间光线暗、噪音大、温度湿度波动大或者是工艺布局不合理、工人操作机器不方便等都是关键的影响因素。

基于以上分析，构造稀土磁性材料质量分析鱼骨图如图2所示。

3 层次分析法

3.1 建立层次结构模型

影响稀土磁性材料磁性能的因素很多，结合上述鱼骨图分析结果，构建层次结构模型，如表1所示，评价体系包括5个一级指标和25个二级指标。

3.2 构造判断矩阵计算权重

结合层次结构模型，采用1～9比率标度进行同层次两两因素间的相对比较，构造出判断矩阵，见表2。求解判断矩阵的特征根和特征向量，为同一层次各因素相对于上一层次某一因素相对重要性排序，然后进行一致性检验。

计算判断矩阵的最大特征值？姿max并进行一致性检验。将计算出的最大特征根？姿max导入公式进行一致性检验。

RI的取值见表3，如果CR<0.1，则n阶判断矩阵A的一致性可以接受。

为了从不同角度和不同层面客观深入的对稀土磁性材料磁性能影响因素进行分析，获得准确、全面、可靠的信息和数据，采用专家法为各因素及指标打分。专家学者他们分别来自于包头稀土磁性材料相关企业生产部门主管、包钢稀土研究院、内蒙古科技大学、包头发改委、包头政府及自治区的稀土工业协会的专家，在选择过程中充分考虑了专家的知识结构、专业背景和工作经历，以最大可能地保证测评数据的客观性和可靠性。最后，在上述专家学者的评价基础上进行归纳总结。构造出如下判断矩阵：

3.3 结果分析及改进措施

根据上述计算结果，按照所求综合权重大小确定影响稀土磁性材料磁性能的一级指标中B3权重最大为0.353，表示料是影响磁性能的最主要因素，企业在生产工程中要提高产品性能应该更加注重与料相关的因素；B4次之权重为0.320，表示产品性能的影响因素中生产方法也很重要，先进的生产技术对于提高产品性能具有重要的意义，其他包括人、机器以及环境等因素权重分别为0.086，0.167，0.074，与前两个因素相比重要程度较低。

25个子因素相对于目标问题影响程度排序如下：B33，B45，B21，B34，B44，B12，B31，B54，B24，B32，B41，B14，B42，B25，B52，B43，B22，B11，B23，B53，B26，B51，B13，B15，B55。所有因素中B33，B45两个因素的综合权重大于0.1，B21，B34接近0.1，B44，B12，B31，B54权重接近0.05，是最主要的影响因素，需要企业严格控制，这意味着企业在生产过程中应该重点关注这些因素是否达到生产标准以控制磁性材料的磁性能；B24，B32，B41，B14，B42，B25综合权重均接近0.02，B52，B43，B22综合权重大于0.01，属于次要因素，需要企业有效控制，如果控制不当，也会对稀土磁性产品的质量产生一定程度的影响。B11，B23，B53，B26，B51，B13，B15，B55权重均小于0.01，这8个因素对磁性材料磁性能的影响较小，但是企业不可完全忽视，企业在生产过程中一般控制即可。

从上述结果分析中可以看出，稀土磁性材料生产企业为了提高产品性能，主要从原材料成分是否均匀、冷却工艺是否先进、所使用气流磨的出粒粒度是否合规以及生产中各种组分和微量元素的控制是否得当四个方面出发进行控制。对于这四个主要影响因素改进措施如表6所示。

4 结论

鱼骨图只能定性地找出影响稀土磁性材料磁性能的因素有哪些，而具体这些因素如何影响以及影响程度等都无法确定。在实际生产过程中，企业由于资源等各种约束无法顾及所有因素，这就需要事先了解在这些影响因素中哪些是主要因素，需要及时解决，哪些是次要因素，可以暂时搁置。本文在鱼骨图的基础上运用层次分析法将影响稀土磁性材料磁性能的所有因素进行单层排序和综合排序，确定了各种影响因素对最终问题的影响程度大小，影响程度越大，越需要优先解决。

参考文献：

[1]胡伯平.稀土永磁材料及其应用[A].第八届全国永磁电机学术交流会论文集[C].2007.

[2]李波.中国稀土永磁材料的发展[A].首届中国包头·稀土产业发展论坛专家报告集[C].2009.

[3]喻晓军，王东玲，郭炳麟，李波.稀土永磁材料的技术发展近况[A].第八届全国永磁电机学术交流会论文集[C].2007.