軟磁合金

軟磁合金種類(lèi)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(dǎo)率合金、高矩形比合金、電工鋼、恒導(dǎo)磁率合金、高△B合金、耐蝕軟磁合金和熱磁補(bǔ)償合金等。如果按合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為結(jié)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(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高達(dá)2.15T，價(jià)格低廉，加工性能好等;但電阻率低，交變磁場(chǎng)下使用時(shí)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(yáng)聲器的磁導(dǎo)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(chǎn)，包括熱軋硅鋼，無(wú)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(yán)重的磁時(shí)效現(xiàn)象，隨著硅含量的增加，雖然磁飽和（飽和磁化強(qiáng)度）下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率升高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可擴(kuò)大其在交流領(lǐng)域中的應(yīng)用。由于價(jià)格低廉，已成為軟磁合金的主導(dǎo)產(chǎn)品，廣泛用于電力工業(yè)、機(jī)械電子和儀表工業(yè)作變壓器、功率放大器、電感線圈、電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子等。通常，將電磁純鐵和硅鋼片統(tǒng)稱(chēng)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(dǎo)率和電阻率高，而且硬度高、耐磨性好。但性質(zhì)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(shí)趨于零，從而獲得高磁性能的鐵硅鋁軟磁合金，命名為森達(dá)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(diǎn)是具有特高的硬度，高的磁飽和（約為1T），高磁導(dǎo)率和高電阻率等特性;缺點(diǎn)是磁性對(duì)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(chēng)坡莫合金。在這一成分范圍內(nèi)，通過(guò)加入適量的合金化元素，并采用適當(dāng)工藝，可獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)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(lǐng)域最廣泛的一類(lèi)軟磁合金。它可以用在弱磁場(chǎng)下作鐵芯和磁屏蔽，也可作低剩磁和恒磁導(dǎo)率的脈沖變壓器和電感鐵心，還可作高矩形比合金、熱磁補(bǔ)償合金及磁致伸縮合金等。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，在特高頻的磁場(chǎng)下使用時(shí)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(qiáng)度，如35Co-Fe合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到2.43T，比電磁純鐵的高13%。二元鐵鈷合金的力學(xué)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(jī)轉(zhuǎn)子和定子、變壓器鐵心等。

非晶態(tài)軟磁合金一種無(wú)長(zhǎng)程序、無(wú)結(jié)晶粒的合金，又稱(chēng)無(wú)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(dǎo)率高、矯頑力小、對(duì)應(yīng)力不敏感，且有耐蝕和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。此外，其電阻率較高，可用于高頻。缺點(diǎn)是它在一個(gè)較低的溫度下會(huì)發(fā)生晶化，而且在更低的溫度下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，使磁性發(fā)生變化，因此工作溫度不宜過(guò)高，不宜超過(guò)100～150℃。非晶態(tài)軟磁合金主要有兩類(lèi)：即金屬-類(lèi)金屬型和金屬-金屬型。前者應(yīng)用較多，它又分為鈷基、鐵基和鐵鎳基3類(lèi)。非晶態(tài)軟磁合金具有不同類(lèi)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(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種軟磁合金。由小于50nm左右的結(jié)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(dǎo)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(chǎn)和應(yīng)用已有百余年的歷史。1890年開(kāi)始生產(chǎn)熱磁純鐵（或低碳鋼），用于制造電機(jī)和變壓器鐵心。1900年鐵硅合金（硅鋼片）問(wèn)世，很快代替了純鐵，并一直成為產(chǎn)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(guó)人厄爾門(mén)（G.W.Elmen）發(fā)明了在弱和中等磁場(chǎng)下磁性比硅鋼更好的鎳鐵合金（稱(chēng)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(jì)70年代初，一種結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式與傳統(tǒng)軟磁合金完全不同非晶態(tài)軟磁合金問(wèn)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(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。中國(guó)從50年代起就開(kāi)始生產(chǎn)熱軋硅鋼片，60年代開(kāi)始生產(chǎn)以鐵鎳和鐵鈷系合金為主的各類(lèi)軟磁合金，70年代生產(chǎn)冷軋取向硅鋼片，80年代中后期開(kāi)始大批量試生產(chǎn)非晶態(tài)軟磁合金，90年代開(kāi)發(fā)了微晶和納米晶軟磁合金。從80年代起，中國(guó)陸續(xù)制訂并頒布了各類(lèi)軟磁合金生產(chǎn)技術(shù)條件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)入90年代以后，人們對(duì)能源、電子和環(huán)境保護(hù)更加重視，對(duì)電力工程、電子器件等用的磁性合金的研制和開(kāi)發(fā)也緊緊圍繞這幾個(gè)中心在開(kāi)展。如在電力方面，正在開(kāi)發(fā)鐵損小于鐵基非晶合金帶的三次再結(jié)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(wèn)題，也正在進(jìn)行生產(chǎn)工藝的研究。在電子方面，愈來(lái)愈向高頻、小型化方向發(fā)展，開(kāi)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(zhì)及集成化元件磁介質(zhì)，也引人注目。今后軟磁合金的開(kāi)發(fā)將繼續(xù)朝著控制其微結(jié)構(gòu)方向進(jìn)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(chǎn)品的功能。2100433B

影響軟磁性能的因素

軟磁性能參量可分為兩類(lèi)：（1）結(jié)構(gòu)敏感型，如初始磁導(dǎo)率μ_i、最大磁導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guò)程密切相關(guān)，而后者與合金的化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu)等有關(guān)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有許多冶金和物理因素對(duì)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(xué)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(duì)應(yīng)力的敏感性，同時(shí)提高起始磁導(dǎo)率，但飽和磁化強(qiáng)度和居里點(diǎn)有所下降。又如鐵硅鋁合金，磁性能與成分的關(guān)系更加密切，成分稍有偏差，磁性能會(huì)急劇下降。在鐵鈷合金中，隨鈷含量增大，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，居里點(diǎn)也隨之增高，在35%Co時(shí)，B_s可達(dá)到2.4T以上。

雜質(zhì)某些雜質(zhì)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(yīng)力阻礙疇壁自由移動(dòng)。某些元素不能固溶而形成碳、氮、氧的化合物，這些非磁性?shī)A雜能使疇壁釘扎，從而使矯頑力增高、磁導(dǎo)率降低。對(duì)于優(yōu)質(zhì)的軟磁合金，除了要求合金原材料純凈、雜質(zhì)少以外，多采用真空熔煉和在純干氫氣或高真空中進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，以進(jìn)一步去除雜質(zhì)。

應(yīng)力軟磁合金的磁性能對(duì)應(yīng)力十分敏感。在制造過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力，可使合金的磁導(dǎo)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(duì)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(hù)盒內(nèi)。外應(yīng)力與磁致伸縮產(chǎn)生耦合會(huì)使磁化強(qiáng)度方向發(fā)生變化，引起應(yīng)力各向異性。隨加力方式不同，可使合金的導(dǎo)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(shí)，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(chǎn)生冷軋織構(gòu)或結(jié)晶織構(gòu)，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(yīng)沿軋制方向進(jìn)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(qiáng)度變小，磁導(dǎo)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(guān)。

冷軋帶厚度厚度對(duì)冷軋軟磁合金帶材性能的影響在于：在交變磁場(chǎng)下由于渦流效應(yīng)引起的渦流損耗與厚度的平方成正比。同時(shí)由于趨膚效應(yīng)，要求在一定頻率下合金的厚度應(yīng)小于一定值。因此，在實(shí)際生產(chǎn)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(huì)使反常損耗增大，生產(chǎn)成本增加。

熱處理軟磁合金達(dá)到優(yōu)異性能的 一道關(guān)鍵工序。它是通過(guò)控制加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度和冷卻方式，在一定的加熱介質(zhì)中，改變合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，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(chǎng)熱處理等。

（1）高溫退火。目的是消除加工應(yīng)力，脫除對(duì)軟磁性能有害的非金屬夾雜，使晶粒再結(jié)晶并充分均勻長(zhǎng)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(wú)序轉(zhuǎn)變時(shí)的有序度，從而調(diào)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(guò)控制冷卻速度或改變T_c以下的保溫時(shí)間來(lái)達(dá)到。

（2）磁場(chǎng)熱處理。某些軟磁合金經(jīng)磁場(chǎng)熱處理后可形成單軸感生磁各向異性和磁織構(gòu)，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(chǎng)熱處理后，當(dāng)沿外加磁場(chǎng)方向測(cè)量磁性時(shí)，其磁滯回線為矩形;當(dāng)沿垂直于外加磁場(chǎng)方向測(cè)量時(shí)，其磁滯回線為扁平形。磁場(chǎng)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(chǎng)中冷卻;另一種是在略低于居里溫度下保溫，并加磁場(chǎng)進(jìn)行熱處理。處理過(guò)程中磁場(chǎng)施加的方式也有兩種：即縱向和橫向。前者磁場(chǎng)方向與材料工作過(guò)程中的磁化方向一致，后者是相互垂直。

中文名稱(chēng)

耐蝕軟磁合金

英文名稱(chēng)

anticorrosion soft magnetic alloy

定　　義

主要成分為FeNi36、FeCr16或FeCr17NiTi的軟磁合金。常用牌號(hào)是IJ36。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），儀器儀表材料（二級(jí)學(xué)科），磁性材料(儀器儀表)（三級(jí)學(xué)科）

鎳基軟磁合金是在磁場(chǎng)中容易被磁化，退出磁場(chǎng)后獲得的磁性會(huì)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(chēng)

鎳基軟磁合金

英文名稱(chēng)

nickel based soft magnetic alloy

定　　義

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

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級(jí)學(xué)科），磁性材料（四級(jí)學(xué)科）

在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，具有基本恒定磁導(dǎo)率的軟磁合金。該合金的磁滯回線呈扁平狀，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度極低。