軟磁合金

軟磁合金的生產和應用已有百餘年的歷史。1890年開始生產熱磁純鐵（或低碳鋼），用於製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，並一直成為產量最大的軟磁材料。隨着電話系統的發展和需要，1913年美國人厄爾門（G.W.Elmen）發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軟磁合金完全不同非晶態軟磁合金問世，80年代末又發展了快淬微晶軟磁和納米晶軟磁合金，使軟磁合金的發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年代中後期開始大批量試生產非晶態軟磁合金，90年代開發了微晶和納米晶軟磁合金。從80年代起，中國陸續制訂並頒佈了各類軟磁合金生產技術條件的國家標準。

軟磁合金種類繁多，根據組成合金的元素不同可分為電磁純鐵（工業純鐵）、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、恆導磁率合金、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軟磁合金、非晶態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。

電磁純鐵碳含量低於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，只適於在靜態下使用。主要用於作電磁鐵心、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。在鐵中加入硅後可消除純鐵嚴重的磁時效現象，隨着硅含量的增加，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。由於價格低廉，已成為軟磁合金的主導產品，廣泛用於電力工業、機械電子和儀表工業作變壓器、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，難於軋製和衝壓，使用受到影響。該合金主要用於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同時趨於零，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%，其餘為鐵。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。該合金主要用於音頻和視頻磁頭。

鐵鎳合金鎳含量為30%～90%的鐵鎳合金，常稱坡莫合金。在這一成分範圍內，通過加入適量的合金化元素，並採用適當工藝，可獲得高導磁、恆導磁、恆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，也可作低剩磁和恆磁導率的脈衝變壓器和電感鐵心，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，主要用於極靴、電機轉子和定子、變壓器鐵心等。

非晶態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，可用於高頻。缺點是它在一個較低的温度下會發生晶化，而且在更低的温度下會發生結構弛豫，使磁性發生變化，因此工作温度不宜過高，不宜超過100～150℃。非晶態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年代以來新發現的一種軟磁合金。由小於50nm左右的結晶相和非晶態的晶界相組成，具有比晶態和非晶態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，可採用不同熱處理工藝獲得不同的磁性能。

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、居里温度T_c、磁致伸縮係數λ_s等。前者與磁化過程密切相關，而後者與合金的化學成分和微結構等有關。實踐中發現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，好的軟磁性能出現在鎳含量為36%～83%的範圍中。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，磁性能與成分的關係更加密切，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於軟磁合金中，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。對於優質的軟磁合金，除了要求合金原材料純淨、雜質少以外，多采用真空熔鍊和在純幹氫氣或高真空中進行高温熱處理，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。在製造過程中的內應力，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着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，但經冷加工後，由於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製方向具有更好的磁性能。因此，在使用中應沿軋製方向進行磁化。

温度環境温度的變化，以及由損耗引起的鐵芯温度的變化都將影響磁性能。隨温度升高，原子排列傾向於混亂，自發磁化強度變小，磁導率和矯頑力的變化與磁晶各向異性和磁致伸縮係數隨温度變化有關。

冷軋帶厚度厚度對冷軋軟磁合金帶材性能的影響在於：在交變磁場下由於渦流效應引起的渦流損耗與厚度的平方成正比。同時由於趨膚效應，要求在一定頻率下合金的厚度應小於一定值。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。 ^[1] 

熱處理軟磁合金達到優異性能的 一道關鍵工序。它是通過控制加熱温度、保温時間、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温退火和磁場熱處理等。

（1）高温退火。目的是消除加工應力，脱除對軟磁性能有害的非金屬夾雜，使晶粒再結晶並充分均勻長大，形成晶粒取向。高温退火有氫氣熱處理和真空熱處理兩種，後者主要處理非真空熔鍊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K₁和磁致伸縮係數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以下的保温時間來達到。

（2）磁場熱處理。某些軟磁合金經磁場熱處理後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，因此經磁場熱處理後，當沿外加磁場方向測量磁性時，其磁滯回線為矩形;當沿垂直於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於居里温度，然後在磁場中冷卻;另一種是在略低於居里温度下保温，並加磁場進行熱處理。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，後者是相互垂直。 ^[2] 

進入90年代以後，人們對能源、電子和環境保護更加重視，對電力工程、電子器件等用的磁性合金的研製和開發也緊緊圍繞這幾個中心在開展。如在電力方面，正在開發鐵損小於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、小型化方向發展，開發了極薄的鈷基非晶態合金帶和絲、超微晶合金等。軟磁薄膜製作的高密度磁記錄介質及集成化元件磁介質，也引人注目。今後軟磁合金的開發將繼續朝着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。