软磁合金(soft magnetic alloy)

矫顽力H_c<1kA/m的磁性合金。其特征是矫顽力低，磁导率高，功率损耗低，磁化后撤去外磁场时磁性基本随之消失。这类合金的应用极为广泛，可作为各种电磁铁的极头、极靴、磁导体、磁屏蔽、电机的定子和转子、变压器的铁心、继电器铁心，以及各种通信、遥测遥感系统和仪器仪表中的软磁元件。

简史 软磁合金的生产和应用已有百余年的历史。1890年开始生产热磁纯铁(或低碳钢)，用于制造电机和变压器铁心。1900年铁硅合金(硅钢片)问世，很快代替了纯铁，并一直成为产量最大的软磁材料。随着电话系统的发展和需要，1913年美国人厄尔门(G．W．Elmen)发明了在弱和中等磁场下磁性比硅钢更好的镍铁合金(称坡莫合金)，1929年至1931年又相继出现了具有不同磁特性以满足特殊用途的铁钴合金和铁硅铝合金。20世纪70年代初，一种结构和生产方式与传统软磁合金完全不同非晶态软磁合金问世，80年代末又发展了快淬微晶软磁和纳米晶软磁合金，使软磁合金的发展进入了一个崭新的阶段。中国从50年代起就开始生产热轧硅钢片，60年代开始生产以铁镍和铁钴系合金为主的备类软磁合金，70年代生产冷轧取向硅钢片，80年代中后期开始大批量试生产非晶态软磁合金，90年代开发了微晶和纳米晶软磁合金。从80年代起，中国陆续制订并颁布了各类软磁合金生产技术条件的国家标准。

分类 软磁合金种类繁多，根据组成合金的元素不同可分为电磁纯铁(工业纯铁)、铁硅合金、铁镍合金、铁铝合金、铁硅铝合金及铁钴合金等。若以合金的磁特性不同又可分为高磁饱和合金、高磁导率合金、高矩形比合金、电工钢、恒导磁率合金、高ΔB合金、耐蚀软磁合金和热磁补偿合金等。如果按合金的内部结构可分为结晶态软磁合金、非晶态软磁合金和纳米晶软磁合金。表1列出几种主要软磁合金的性能。

电磁纯铁 碳含量低于0.04％的铁和软钢，包括电工纯铁、电介铁和羰基铁。特点是饱和磁化强度高达2.15T，价格低廉，加工性能好等；但电阻率低，交变磁场下使用时涡流损耗大，只适于在静态下使用。主要用于作电磁铁心、极靴、继电器和扬声器的磁导体以及磁屏蔽罩等。

铁硅合金(硅钢片)  含硅量为0.5％～4.8％的铁硅合金，一般以薄板形式生产，包括热轧硅钢，无取向冷轧硅钢和取向冷轧硅钢等。在铁中加入硅后可消除纯铁严重的磁时效现象，随着硅含量的增加，虽然磁饱和(饱和磁化强度)下降，但其电阻率和磁导率升高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可扩大其在交流领域中的应用。由于价格低廉，已成为软磁合金的主导产品，广泛用于电力工业、机械电子和仪表工业作变压器、功率放大器、电感线圈、电机的定子和转子等。

通常，将电磁纯铁和硅钢片统称为电工钢。

铁铝合金 铝含量为6％～16％的铁铝合金，具有较好的软磁性能，不但磁导率和电阻率高，而且硬度高、耐磨性好。但性质较脆，难于轧制和冲压，使用受到影响。该合金主要用于磁头铁心和小型变压器、磁放大器、继电器的铁心等。

铁硅铝合金 在二元铁铝合金中加入硅，可以使磁晶各向异性K₁和磁致伸缩λ_s同时趋于零，从而获得高磁性能的铁硅铝软磁合金，命名为森达斯特合金。其典型成分为含硅9.6％，含铝5.4％，其余为铁。它的特点是具有特高的硬度，高的磁饱和(约为1T)，高磁导率和高电阻率等特性；缺点是磁性对成分的起伏非常敏感，较脆，加工性能较差。该合金主要用于音频和视频磁头。

铁镍合金 镍含量为30％～90％的铁镍合金，常称坡莫合金。在这一成分范围内，通过加入适量的合金化元素，并采用适当工艺，可获得高导磁、恒导磁、恒矩磁等不同磁特性的软磁合金。坡莫合金具有很高的塑性，可以冷轧成1μm的超薄带，是使用领域最广泛的一类软磁合金。它可以用在弱磁场下作铁芯和磁屏蔽，也可作低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器和电感铁心，还可作高矩形比合金、热磁补偿合金及磁致伸缩合金等。其缺点是价格昂贵，在特高频的磁场下使用时损耗较大。

铁钴合金 钻含量为27％～51％的铁钴合金，具有最高的饱和磁化强度，如35Co-Fe合金的饱和磁感应强度达到2.43T，比电磁纯铁的高13％。二元铁钴合金的力学性能不好，电阻率低，加入适量的铬、钒可改善加工性能，最适合作高饱和磁感材料和高性能软磁材料，主要用于极靴、电机转子和定子、变压器铁心等。

非晶态软磁合金 一种无长程序、无结晶粒的合金，又称无定形金属或金属玻璃。具有软磁特性的非晶态合金的磁导率高、矫顽力小、对应力不敏感，且有耐蚀和高强度的特点。此外，其电阻率较高，可用于高频。缺点是它在一个较低的温度下会发生晶化，而且在更低的温度下会发生结构弛豫，使磁性发生变化，因此工作温度不宜过高，不宜超过100～150℃。非晶态软磁合金主要有两类：即金属一类金属型和金属一金属型。前者应用较多，它又分为钴基、铁基和铁镍基3类。非晶态软磁合金具有不同类型的磁特性，可取代其他软磁材料之用。

超微晶软磁合金 80年代以来新发现的一种软磁合金。由小于50nm左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合磁性能，不仅磁导率高、矫顽力低、损耗小，且饱和磁感高、稳定性好。如铁基超微晶合金，主要有FeCuNbSiB和FeZrB两种，与高镍的坡莫合金一样，可采用不同热处理工艺获得不同的磁性能。各类软磁合金的磁性范围如图所示。

影响软磁性能的因素 软磁性能参量可分为两类：(1)结构敏感型，如初始磁导率μi、最大磁导率μ_m、剩磁B_r、矫顽力H_c、磁滞损耗P_h和涡流损耗P_e等。(2)结构不敏感型，如饱和磁感B_s、居里温度了T_c、磁致伸缩系数λ_s等。前者与磁化过程密切相关，而后者与合金的化学成分和微结构等有关。实践中发现有许多冶金和物理因素对软磁合金的磁性能有显著影响，表2列出了某些因素对晶态软磁合金性能的影响。主要的影响因素有：

成分 化学成分是决定软磁合金性能的主要因素之一，例如在铁镍系合金中，好的软磁性能出现在镍含量为36％～83％的范围中。加入某些合金化元素如钼等，可提高电阻率，降低对应力的敏感性，同时提高起始磁导率，但饱和磁化强度和居里点有所下降。又如铁硅铝合金，磁性能与成分的关系更加密切，成分稍有偏差，磁性能会急剧下降。在铁钴合金中，随钴含量增大，饱和磁感应强度增大，居里点也随之增高，在35％Co时，B_s可达到2.4T以上。

表2不同因素对软磁合金磁性的影响

杂质 某些杂质元素以间隙式或取代式固溶体存在于软磁合金中，造成晶格畸变，引起微观应力阻碍畴壁自由移动。某些元素不能固溶而形成碳、氮、氧的化合物，这些非磁性夹杂能使畴壁钉扎，从而使矫顽力增高、磁导率降低。对于优质的软磁合金，除了要求合金原材料纯净、杂质少以外，多采用真空熔炼和在纯干氢气或高真空中进行高温热处理，以进一步去除杂质。

应力 软磁合金的磁性能对应力十分敏感。在制造过程中的内应力，可使合金的磁导率下降、损耗增加。外力在一定程度上也影响软磁合金的磁性能，特别是对较高性能的合金，其有害影响较大。因此，必须把铁芯装入保护盒内。外应力与磁致伸缩产生耦合会使磁化强度方向发生变化，引起应力各向异性。随加力方式不同，可使合金的导磁性能得到改善或恶化。

晶粒取向 晶体中存在着易磁化方向和难磁化方向，沿易磁化方向磁化时，磁性能较好。软磁合金主要经冷、热加工而成。热加工的材料的磁性，基本上是各向同性的，但经冷加工后，由于产生冷轧织构或结晶织构，使材料形成晶粒取向。沿不同方向磁化，其磁性能不同，铁镍和铁硅合金沿轧制方向具有更好的磁性能。因此，在使用中应沿轧制方向进行磁化。

温度 环境温度的变化，以及由损耗引起的铁芯温度的变化都将影响磁性能。随温度升高，原子排列倾向于混乱，自发磁化强度变小，磁导率和矫顽力的变化与磁晶各向异性和磁致伸缩系数随温度变化有关。

冷轧带厚度 厚度对冷轧软磁合金带材性能的影响在于：在交变磁场下由于涡流效应引起的涡流损耗与厚度的平方成正比。同时由于趋肤效应，要求在一定频率下合金的厚度应小于一定值。因此，在实际生产中用减薄厚度而降低涡流损耗，提高材料利用率。但厚度的减薄会使反常损耗增大，生产成本增加。

热处理 软磁合金达到优异性能的一道关键工序。它是通过控制加热温度、保温时间、冷却速度和冷却方式，在一定的加热介质中，改变合金的内部组织结构和磁结构，以获得所需的磁性能。软磁合金的热处理包括高温退火和磁场热处理等。

(1)高温退火。目的是消除加工应力，脱除对软磁性能有害的非金属夹杂，使晶粒再结晶并充分均匀长大，形成晶粒取向。高温退火有氢气热处理和真空热处理两种，后者主要处理非真空熔炼合金和含有易氧化元素的合金。为了改变软磁合金在有序一无序转变时的有序度，从而调整磁晶各向异性常数K₁和磁致伸缩系数λ_s，以获得更好的磁性，通常是通过控制冷却速度或改变T_c以下的保温时间来达到。

(2)磁场热处理。某些软磁合金经磁场热处理后可形成单轴感生磁备向异性和磁织构，从而改变合金的磁化行为。特别是磁晶各向异性比较小的合金，这种感生磁各向异性就起主要作用。例如65％Ni-Fe合金，在慢冷条件下K₁≈O，因此经磁场热处理后，当沿外加磁场方向测量磁性时，其磁滞回线为矩形；当沿垂直于外加磁场方向测量时，其磁滞回线为扁平形。磁场热处理的工艺制度有两种：一种是将合金加热到略高于居里温度，然后在磁场中冷却；另一种是在略低于居里温度下保温，并加磁场进行热处理。处理过程中磁场施加的方式也有两种：即纵向和横向。前者磁场方向与材料工作过程中的磁化方向一致，后者是相互垂直。

展望进入90年代以后，人们对能源、电子和环境保护更加重视，对电力工程、电子器件等用的磁性合金的研制和开发也紧紧围绕这几个中心在开展。如在电力方面，正在开发铁损小于铁基非晶合金带的三次再结晶极薄的取向硅钢片。为了克服0.5％Si硅钢片的加工困难问题，也正在进行生产工艺的研究。在电子方面，愈来愈向高频、小型化方向发展，开发了极薄的钴基非晶态合金带和丝、超微晶合金等。软磁薄膜制作的高密度磁记录介质及集成化元件磁介质，也引人注目。今后软磁合金的开发将继续朝着控制其微结构方向进行，以不断提高磁性能。软磁合金将以更低的损耗，在更高的频率下使用，从而大大提高产品的功能。