影響軟磁性能的因素

軟磁性能參量可分為兩類：（1）結構敏感型，如初始磁導率μ_i、最大磁導率μ_m、剩磁B_r、矯頑力H_c、磁滯損耗P_h和渦流損耗Pe等。（2）結構不敏感型，如飽和磁感B_s、居里溫度T_c、磁致伸縮系數(shù)λ_s等。前者與磁化過程密切相關，而后者與合金的化學成分和微結構等有關。實踐中發(fā)現(xiàn)有許多冶金和物理因素對軟磁合金的磁性能有顯著影響，主要的影響因素有：

成分化學成分是決定軟磁合金性能的主要因素之一，例如在鐵鎳系合金中，好的軟磁性能出現(xiàn)在鎳含量為36%～83%的范圍中。加入某些合金化元素如鉬等，可提高電阻率，降低對應力的敏感性，同時提高起始磁導率，但飽和磁化強度和居里點有所下降。又如鐵硅鋁合金，磁性能與成分的關系更加密切，成分稍有偏差，磁性能會急劇下降。在鐵鈷合金中，隨鈷含量增大，飽和磁感應強度增大，居里點也隨之增高，在35%Co時，B_s可達到2.4T以上。

雜質某些雜質元素以間隙式或取代式固溶體存在于軟磁合金中，造成晶格畸變，引起微觀應力阻礙疇壁自由移動。某些元素不能固溶而形成碳、氮、氧的化合物，這些非磁性夾雜能使疇壁釘扎，從而使矯頑力增高、磁導率降低。對于優(yōu)質的軟磁合金，除了要求合金原材料純凈、雜質少以外，多采用真空熔煉和在純干氫氣或高真空中進行高溫熱處理，以進一步去除雜質。

應力軟磁合金的磁性能對應力十分敏感。在制造過程中的內應力，可使合金的磁導率下降、損耗增加。外力在 一定程度上也影響軟磁合金的磁性能，特別是對較高性能的合金，其有害影響較大。因此，必須把鐵芯裝入保護盒內。外應力與磁致伸縮產生耦合會使磁化強度方向發(fā)生變化，引起應力各向異性。隨加力方式不同，可使合金的導磁性能得到改善或惡化。

晶粒取向晶體中存在著易磁化方向和難磁化方向，沿易磁化方向磁化時，磁性能較好。軟磁合金主要經(jīng)冷、熱加工而成。熱加工的材料的磁性，基本上是各向同性的，但經(jīng)冷加工后，由于產生冷軋織構或結晶織構，使材料形成晶粒取向。沿不同方向磁化，其磁性能不同，鐵鎳和鐵硅合金沿軋制方向具有更好的磁性能。因此，在使用中應沿軋制方向進行磁化。

溫度環(huán)境溫度的變化，以及由損耗引起的鐵芯溫度的變化都將影響磁性能。隨溫度升高，原子排列傾向于混亂，自發(fā)磁化強度變小，磁導率和矯頑力的變化與磁晶各向異性和磁致伸縮系數(shù)隨溫度變化有關。

冷軋帶厚度厚度對冷軋軟磁合金帶材性能的影響在于：在交變磁場下由于渦流效應引起的渦流損耗與厚度的平方成正比。同時由于趨膚效應，要求在一定頻率下合金的厚度應小于一定值。因此，在實際生產中用減薄厚度而降低渦流損耗，提高材料利用率。但厚度的減薄會使反常損耗增大，生產成本增加。

軟磁合金種類繁多，根據(jù)組成合金的元素不同可分為電磁純鐵（工業(yè)純鐵）、鐵硅合金、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵硅鋁合金及鐵鈷合金等。若以合金的磁特性不同又可分為高磁飽和合金、高磁導率合金、高矩形比合金、電工鋼、恒導磁率合金、高△B合金、耐蝕軟磁合金和熱磁補償合金等。如果按合金的內部結構可分為結晶態(tài)軟磁合金、非晶態(tài)軟磁合金和納米晶軟磁合金。表1列出幾種主要軟磁合金的性能。

表1 幾種主要軟磁合金的磁性能

電磁純鐵碳含量低于0.04%的鐵和軟鋼，包括電工純鐵、電介鐵和羰基鐵。特點是飽和磁化強度高達2.15T，價格低廉，加工性能好等;但電阻率低，交變磁場下使用時渦流損耗大，只適于在靜態(tài)下使用。主要用于作電磁鐵心、極靴、繼電器和揚聲器的磁導體以及磁屏蔽罩等。

鐵硅合金 含硅量為0.5%～4.8%的鐵硅合金，一般以薄板形式生產，包括熱軋硅鋼，無取向冷軋硅鋼和取向冷軋硅鋼等。在鐵中加入硅后可消除純鐵嚴重的磁時效現(xiàn)象，隨著硅含量的增加，雖然磁飽和（飽和磁化強度）下降，但其電阻率和磁導率升高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可擴大其在交流領域中的應用。由于價格低廉，已成為軟磁合金的主導產品，廣泛用于電力工業(yè)、機械電子和儀表工業(yè)作變壓器、功率放大器、電感線圈、電機的定子和轉子等。通常，將電磁純鐵和硅鋼片統(tǒng)稱為電工鋼。

鐵鋁合金鋁含量為6%～16%的鐵鋁合金，具有較好的軟磁性能，不但磁導率和電阻率高，而且硬度高、耐磨性好。但性質較脆，難于軋制和沖壓，使用受到影響。該合金主要用于磁頭鐵心和小型變壓器、磁放大器、繼電器的鐵心等。

鐵硅鋁合金在二元鐵鋁合金中加入硅，可以使磁晶各向異性K₁和磁致伸縮λs同時趨于零，從而獲得高磁性能的鐵硅鋁軟磁合金，命名為森達斯特合金。其典型成分為含硅9.6%，含鋁5.4%，其余為鐵。它的特點是具有特高的硬度，高的磁飽和（約為1T），高磁導率和高電阻率等特性;缺點是磁性對成分的起伏非常敏感，較脆，加工性能較差。該合金主要用于音頻和視頻磁頭。

鐵鎳合金鎳含量為30%～90%的鐵鎳合金，常稱坡莫合金。在這一成分范圍內，通過加入適量的合金化元素，并采用適當工藝，可獲得高導磁、恒導磁、恒矩磁等不同磁特性的軟磁合金。坡莫合金具有很高的塑性，可以冷軋成1μm的超薄帶，是使用領域最廣泛的一類軟磁合金。它可以用在弱磁場下作鐵芯和磁屏蔽，也可作低剩磁和恒磁導率的脈沖變壓器和電感鐵心，還可作高矩形比合金、熱磁補償合金及磁致伸縮合金等。其缺點是價格昂貴，在特高頻的磁場下使用時損耗較大。

鐵鈷合金鈷含量為27%～51%的鐵鈷合金，具有最高的飽和磁化強度，如35Co-Fe合金的飽和磁感應強度達到2.43T，比電磁純鐵的高13%。二元鐵鈷合金的力學性能不好，電阻率低，加入適量的鉻、釩可改善加工性能，最適合作高飽和磁感材料和高性能軟磁材料，主要用于極靴、電機轉子和定子、變壓器鐵心等。

非晶態(tài)軟磁合金一種無長程序、無結晶粒的合金，又稱無定形金屬或金屬玻璃。具有軟磁特性的非晶態(tài)合金的磁導率高、矯頑力小、對應力不敏感，且有耐蝕和高強度的特點。此外，其電阻率較高，可用于高頻。缺點是它在一個較低的溫度下會發(fā)生晶化，而且在更低的溫度下會發(fā)生結構弛豫，使磁性發(fā)生變化，因此工作溫度不宜過高，不宜超過100～150℃。非晶態(tài)軟磁合金主要有兩類：即金屬-類金屬型和金屬-金屬型。前者應用較多，它又分為鈷基、鐵基和鐵鎳基3類。非晶態(tài)軟磁合金具有不同類型的磁特性，可取代其他軟磁材料之用。

超微晶軟磁合金80年代以來新發(fā)現(xiàn)的一種軟磁合金。由小于50nm左右的結晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合磁性能，不僅磁導率高、矯頑力低、損耗小，且飽和磁感高、穩(wěn)定性好。如鐵基超微晶合金，主要有FeCuNbSiB和FeZrB兩種，與高鎳的坡莫合金一樣，可采用不同熱處理工藝獲得不同的磁性能。

軟磁合金的生產和應用已有百余年的歷史。1890年開始生產熱磁純鐵（或低碳鋼），用于制造電機和變壓器鐵心。1900年鐵硅合金（硅鋼片）問世，很快代替了純鐵，并一直成為產量最大的軟磁材料。隨著電話系統(tǒng)的發(fā)展和需要，1913年美國人厄爾門（G.W.Elmen）發(fā)明了在弱和中等磁場下磁性比硅鋼更好的鎳鐵合金（稱坡莫合金），1929年至1931年又相繼出現(xiàn)了具有不同磁特性以滿足特殊用途的鐵鈷合金和鐵硅鋁合金。20世紀70年代初，一種結構和生產方式與傳統(tǒng)軟磁合金完全不同非晶態(tài)軟磁合金問世，80年代末又發(fā)展了快淬微晶軟磁和納米晶軟磁合金，使軟磁合金的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。中國從50年代起就開始生產熱軋硅鋼片，60年代開始生產以鐵鎳和鐵鈷系合金為主的各類軟磁合金，70年代生產冷軋取向硅鋼片，80年代中后期開始大批量試生產非晶態(tài)軟磁合金，90年代開發(fā)了微晶和納米晶軟磁合金。從80年代起，中國陸續(xù)制訂并頒布了各類軟磁合金生產技術條件的國家標準。

熱處理軟磁合金達到優(yōu)異性能的 一道關鍵工序。它是通過控制加熱溫度、保溫時間、冷卻速度和冷卻方式，在一定的加熱介質中，改變合金的內部組織結構和磁結構，以獲得所需的磁性能。軟磁合金的熱處理包括高溫退火和磁場熱處理等。

（1）高溫退火。目的是消除加工應力，脫除對軟磁性能有害的非金屬夾雜，使晶粒再結晶并充分均勻長大，形成晶粒取向。高溫退火有氫氣熱處理和真空熱處理兩種，后者主要處理非真空熔煉合金和含有易氧化元素的合金。為了改變軟磁合金在有序-無序轉變時的有序度，從而調整磁晶各向異性常數(shù)K₁和磁致伸縮系數(shù)λ_s，以獲得更好的磁性，通常是通過控制冷卻速度或改變T_c以下的保溫時間來達到。

（2）磁場熱處理。某些軟磁合金經(jīng)磁場熱處理后可形成單軸感生磁各向異性和磁織構，從而改變合金的磁化行為。特別是磁晶各向異性比較小的合金，這種感生磁各向異性就起主要作用。例如65%Ni-Fe合金，在慢冷條件下K₁≈0，因此經(jīng)磁場熱處理后，當沿外加磁場方向測量磁性時，其磁滯回線為矩形;當沿垂直于外加磁場方向測量時，其磁滯回線為扁平形。磁場熱處理的工藝制度有兩種：一種是將合金加熱到略高于居里溫度，然后在磁場中冷卻;另一種是在略低于居里溫度下保溫，并加磁場進行熱處理。處理過程中磁場施加的方式也有兩種：即縱向和橫向。前者磁場方向與材料工作過程中的磁化方向一致，后者是相互垂直。

進入90年代以后，人們對能源、電子和環(huán)境保護更加重視，對電力工程、電子器件等用的磁性合金的研制和開發(fā)也緊緊圍繞這幾個中心在開展。如在電力方面，正在開發(fā)鐵損小于鐵基非晶合金帶的三次再結晶極薄的取向硅鋼片。為了克服0.5%Si硅鋼片的加工困難問題，也正在進行生產工藝的研究。在電子方面，愈來愈向高頻、小型化方向發(fā)展，開發(fā)了極薄的鈷基非晶態(tài)合金帶和絲、超微晶合金等。軟磁薄膜制作的高密度磁記錄介質及集成化元件磁介質，也引人注目。今后軟磁合金的開發(fā)將繼續(xù)朝著控制其微結構方向進行，以不斷提高磁性能。軟磁合金將以更低的損耗，在更高的頻率下使用，從而大大提高產品的功能。2100433B

中文名稱

耐蝕軟磁合金

英文名稱

anticorrosion soft magnetic alloy

定　　義

主要成分為FeNi36、FeCr16或FeCr17NiTi的軟磁合金。常用牌號是IJ36。

應用學科

機械工程（一級學科），儀器儀表材料（二級學科），磁性材料(儀器儀表)（三級學科）

鎳基軟磁合金是在磁場中容易被磁化，退出磁場后獲得的磁性會全部或大部喪失的鎳基鐵磁性合金。如1J76(Ni76CuCr)、1J77(Ni77CuMo)等。

中文名稱

鎳基軟磁合金

英文名稱

nickel based soft magnetic alloy

定　　義

在磁場中容易被磁化，退出磁場后獲得的磁性會全部或大部喪失的鎳基鐵磁性合金。如1J76(Ni76CuCr)、1J77(Ni77CuMo)等。

應用學科

材料科學技術（一級學科），金屬材料（二級學科），特殊用途金屬材料（三級學科），磁性材料（四級學科）

在一定磁場強度范圍內，具有基本恒定磁導率的軟磁合金。該合金的磁滯回線呈扁平狀，剩余磁感應強度極低。