磁性合金

物質的磁性與其內部電子結構有關。反磁性金屬的原子中電子都已成對，正、反自旋的電子數目相等，由電子自旋而產生的磁矩互相抵消，因此原子磁矩為零，故不為外磁場所吸引。順磁性金屬原子中，正反自旋的電子數目不等，原子的磁矩不為零。由於無規則的熱運動，原子磁矩的方向各異。放入磁場時，原子磁矩沿磁場方向取向而略有偏轉，表現出微弱的磁化，除去外磁場，原子磁矩又混亂分佈，磁化消失。

鐵磁性的起源和順磁性相似，來自原子中未成對的電子。但在鐵磁性材料內部還存在着稱為“磁疇”的許多局部小區域，在這些小區域內，相鄰的原子磁矩取向一致，趨於相互平等的排列；而各磁疇間的自發磁化方向是無序的，因此整塊材料的宏觀磁矩為零，對外不顯示磁性。當處於磁場中時，各磁疇的磁矩會在一定程度上沿磁場方向排列，這樣，一個磁疇沿磁場順排一次就相當於許多原子磁矩的順排。因此鐵磁性材料與磁場間的相互作用，要比順磁性物質大得多。除去外磁場，各磁疇仍力圖儘可能保持原有磁場存在時所形成的取向，此時磁疇取得的部分順排，就使材料保持有殘留磁性，於是，該材料就“永久”磁化了。用一塊永久鐵摩擦鐵磁材料，即可使之永久磁化。永磁材料的磁性，也可因加熱或猛烈的撞擊使磁疇方向變得無序而被破壞。

磁性合金廣泛地應用於電力、電信、機械電子、儀表和計算技術等工業中，是國民經濟各部門不可缺少的材料。磁性參數和技術磁性是衡量磁性合金性能優劣的技術參數，如飽和磁化強度Ms（飽和磁感應強度B_s）、剩餘磁化強度Mr（剩餘磁感應強度B_r）、矯頑力、各種磁導率、矩形比、磁滯損耗等等都反映在合金的磁化曲線和磁滯回線上（見圖1）。不同的磁性合金有不同的磁化曲線和磁滯回線，適用於不同器件的設計應用。這些是磁性合金的技術磁性。它與外界條件的影響和磁性狀態的改變密切相關，涉及到合金內部磁疇的成因和結構，以及磁疇在各種條件（如外磁場、應力、温度等）下的運動和變化。 ^[2] 

根據加工成型工藝磁性合金可分為冷加工和熱加工型（大部分磁性合金屬於此類）、鑄造型（如鋁鎳鈷永磁合金）和粉末冶金型（如稀土永磁合金）磁性合金。按原子組態可分為結晶態型（傳統的磁性合金均屬於此類）和非晶態型磁性合金，以及納米晶型磁性合金。傳統上，磁性合金按照磁性能，可分為軟磁合金、永磁合金和半硬磁合金，還有磁致伸縮合金和磁記錄材料。

（1）軟磁合金。矯頑力H_c<1kA/m的磁性合金，其特點是矯頑力低、磁導率高和鐵心損耗低，在外磁場作用下極易磁化;當外磁場去除後，磁性隨之消失。此類合金廣泛用於各種變壓器、電機、繼電器、電磁鐵、磁記錄、磁屏蔽及通信工程、遙測遙感系統和在儀器儀表中作為磁性元器件。由於應用中對磁性合金的要求不同，因此發展成多種合金。若按組成化學成分可分為工業純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵鋁和鐵硅鋁合金等。若按使用特性可分為高起始磁導率合金、高磁感合金、高導磁合金、高矩形比合金、恆導磁合金、耐蝕軟磁合金和温度補償合金等。此外按結晶狀態又可分為晶態與非晶態軟磁合金等。由於軟磁合金性能的多樣性，決定了影響其性能的因素的多樣性。主要影響因素有：化學成分、雜質、應力及其分佈、組織結構、晶體取向、有序轉變，磁退火等。例如合金的飽和磁化強度、居里温度、磁致伸縮係數及電阻率和耐蝕性等特性與化學成分密切相關。合金中的雜質、特別是碳、氮、氧和氫等形成間隙固溶體的元素對軟磁性能有顯著損害，因為當形成間隙原子時，由晶格畸變引起的微觀應力分佈，直接釘扎疇壁位移，從而使矯頑力和磁導率顯著惡化，應儘量去除。但在一定條件下，某些雜質也會起到有利作用，例如少量的間隙雜質元素可提高合金的電阻率和力學性能。又如細小的AlN、MnS和微量的氧分別有利於硅鋼的二次再結晶的發展和控制鐵鎳合金的晶

（2）永磁合金。矯頑力H_c>20kA/m的磁性合金，包括鋁鎳鈷系合金、鐵鉻鈷合金、可變形永磁合金、鉑鈷合金及稀土永磁合金等。這類合金的特點是矯頑力高、飽和磁感應強度和剩磁感應強度高、磁滯回線寬且近似於方形，以保證具有高的最大磁能積（BH）_max。這類合金在磁化後，去除磁化場時磁化狀態基本保持不變，即不易退磁，具有一定的磁“硬”度，故又稱硬磁合金。該類合金廣泛用於電磁式儀表、示波器、揚聲器、行波管、陀螺儀、繼電器、斷路器、磁選機、磁軸承、磁性耦合器、核磁共振成像儀、音像和通信設備及磁化節能設備等。

（3）半硬磁合金。包括磁滯合金、簧片開關合金、繼電器鐵心和存貯器元件材料等。這類合金的矯頑力要求不高，介於軟磁合金和永磁合金之間。它們是在磁性隨着外磁場變化的條件下工作的，要求合金在一定的磁場下具有高的Br和儘可能大的磁滯回線面積，即有較大的磁滯損耗。這類合金主要用於製作磁滯電機轉子、繼電器鐵心、簧片開關元件及存貯器元件等。

（4）磁致伸縮合金。具有大磁致伸縮係數的磁性合金，包括純鎳、鐵鈷合金、鐵鋁合金及稀土鐵合金。這類合金的矯頑力不高，但具有很高的飽和磁致伸縮值，主要用於超聲波發射和接收、聲納系統、電機械濾波器、精密控制系統、各種閥門、驅動器等。

（5）磁記錄材料。用於計算機作記錄、存貯和再生信息的材料，包括磁頭用合金和磁記錄介質材料。磁頭用的磁性合金有鐵鎳系的坡莫合金、鐵鋁合金、鐵硅鋁系的森達斯特合金和鈷基非晶態合金等。用做磁記錄介質的有鐵、鈷、鎳的合金粉塗層和用電鍍、化學或蒸發的方法制成的鈷鎳、鈷鉻等磁性合金薄膜等。

金屬中組成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。使用的永磁合金有稀土-鈷系、鐵-鉻-鈷系和錳-鋁-碳系合金。其中稀土系列已經歷三代。第一代永磁材料是以RECo5為代表（RE表示稀土元素），以SmCo5性能最好；以後出現減少稀土用量的第二代永磁材料Sm2Co17等；80年代開發成功的Nd-Fe-B釹鐵硼是第三代，其中主要成份是鐵（約佔2/3），成本顯著降低，性能更好。我國生產的釹鐵硼合金的磁性能，在國際上於領先地位。磁性合金在電力、電子、計算機、自動控制和電光學等新興技術領域中，有着日益廣泛的應用。