磁性材料金属磁性材料部分

1、金属磁性材料金属磁性材料 n概述概述 n磁学基础知识磁学基础知识 n金属磁性材料的理论基础金属磁性材料的理论基础 n金属软磁材料金属软磁材料 n金属永磁材料金属永磁材料 n非晶磁性合金非晶磁性合金 n材料主要分为金属材料、陶瓷材料和高分子材材料主要分为金属材料、陶瓷材料和高分子材 料。金属磁性材料为金属功能材的一种，由金料。金属磁性材料为金属功能材的一种，由金 属、合金以及金属间化合物所组成。历史悠久、属、合金以及金属间化合物所组成。历史悠久、 种类多、应用广。特别是近年来，有重大突破，种类多、应用广。特别是近年来，有重大突破， 发展很快。例如：稀土永磁材料；双相纳米晶发展很快。例如：稀土永磁

2、材料；双相纳米晶 软磁材料；非晶软磁薄带；超细微粉（纳米软磁材料；非晶软磁薄带；超细微粉（纳米 级）。级）。 n什么是金属磁性材料？什么是金属磁性材料？ n由金属、合金、及金属间化合物所组成的磁性材料。一般分为：金由金属、合金、及金属间化合物所组成的磁性材料。一般分为：金 属软磁材料和金属永磁材料。属软磁材料和金属永磁材料。 n分类分类 n原子内部结构原子内部结构 n晶态合金晶态合金 n非晶态合金非晶态合金 n磁性能特点磁性能特点 n软磁合金软磁合金 n 硬磁合金硬磁合金 n 矩磁合金矩磁合金 n 压磁合金（磁致伸缩材料）压磁合金（磁致伸缩材料） n金属软磁材料（金属软磁材料（HC800 A/

3、M) n应用：电力工业、通讯技术、自动控制、微波技术、雷达技术及磁应用：电力工业、通讯技术、自动控制、微波技术、雷达技术及磁 记录方面不可缺少的关键材料。记录方面不可缺少的关键材料。 n作用形式：作用形式：能量转换；能量转换；信息处理。信息处理。 n特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性。特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性。 n金属永磁材料金属永磁材料 n应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件；应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件； n 其它器件。其它器件。 n作用原理作用原理 n利用永磁合金在给定的空间产生一定

4、的磁场强度；利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度； n利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能。利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能。 n特点特点 n充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。 第二章金属磁性材的理论基础 n铁磁金属和合金的结构和磁性铁磁金属和合金的结构和磁性 n相变、脱溶和失稳分解相变、脱溶和失稳分解 n金属软磁材料的理论基础金属软磁材料的理论基础 n金属磁性材料的损耗金属磁性材料的损耗 n金属永磁材料的理论基础金属永磁材料的理论基础 n金属磁性材料的织构化金属磁性材料的织构化 2.1铁磁金属和合金的结构和磁性铁磁金

5、属和合金的结构和磁性 一、铁磁金属的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性 （一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性 nFe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构 Fe： 常压下，温度常压下，温度910 为体心立方（为体心立方（bcc），）， 铁磁性的铁磁性的Fe， 居里温度为居里温度为770 ， 易磁化方向为易磁化方向为, 难磁化方向为难磁化方向为 910 温度温度1400 面心立方面心立方, 顺磁性的顺磁性的Fe 温度温度1400 体心立方体心立方 顺磁性的顺磁性的Fe nNi: n在常压

6、下，在熔点以温在常压下，在熔点以温 n范围内，均是面心立结范围内，均是面心立结 n构（构（fcc）为铁磁性的）为铁磁性的 n-Ni居里点为居里点为358 n易磁化方向为易磁化方向为 n难磁化方向为难磁化方向为 nCo： 温度温度450 简单六方结构简单六方结构 铁磁性的铁磁性的- Co 居里点为居里点为1117 易磁化方向为易磁化方向为 难磁化方向为难磁化方向为和和 1010 温度温度450 至熔点至熔点 面心立方面心立方 - Co 1120 1010 0001 n3d过渡族元素的磁性来源过渡族元素的磁性来源 Fe、Ni、Co ： 3d电子的电子的交换相互作用交换相互作用，铁磁性铁磁性 （2.

7、2B,0.6B,1.7B) Cr、Mn： 3d电子的电子的直接交换相互作用直接交换相互作用，反铁磁性反铁磁性 Cr、Mn的合金或化合物：的合金或化合物： 3d电子的电子的超交换相互作用超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性亚铁磁性或铁磁性 、稀土族元素的结构和磁性、稀土族元素的结构和磁性 结构结构 主要指原子序数为主要指原子序数为57（La）至）至71（Lu）的的15个元素，个元素， 加加 上性质类似的上性质类似的Y和和Sc； 晶体结构大都为密排六方结构。晶体结构大都为密排六方结构。 磁性磁性 nGd从从0K到居里温度到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁只表现出纯粹的铁磁性，但磁 矩的取向随

8、温度而变。矩的取向随温度而变。 nGd以前的轻稀土以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。具有反铁磁性。 n重稀土金属重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚表现为铁磁性或亚 铁铁 磁性。磁性。 nY、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但为非磁性稀土元素，但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩。的离子具有磁矩。 二、合金的组成和磁性二、合金的组成和磁性 、相图的作用、相图的作用 1、什么是相图？、什么是相图？ 金属或合金所处的状态主要依赖于其成分和外界条件（温度、金属或合金所处的状态主要依赖于其成分和外界条件（温度、 压力）的变化。压力）的变化。相图就是用图解的形式来表示金属

9、或合金的组织随相图就是用图解的形式来表示金属或合金的组织随 成分、温度、压力等变化的关系。成分、温度、压力等变化的关系。 注意：注意：相图又称为相平衡图，反映的是合金在平衡条件下转变的规律相图又称为相平衡图，反映的是合金在平衡条件下转变的规律。 2、相图的构成、相图的构成 n单元系：成分不变，单元系：成分不变，由压力由压力-温度直角坐标平面图表示温度直角坐标平面图表示 n二元系：二元系：温度、压力、成分的立体图温度、压力、成分的立体图。由于一般情况下，压力常为。由于一般情况下，压力常为 恒定，恒定，相图简化为温度、成分的直角坐标平面图相图简化为温度、成分的直角坐标平面图。 n三元系：（压力恒定

10、）是一个三元系：（压力恒定）是一个立体图立体图，底面呈，底面呈正三角形正三角形（成分三角（成分三角 形），形），三条底边上三条底边上-的含量百分数的含量百分数。垂直于底面的。垂直于底面的纵轴表示温度纵轴表示温度。 （加图示）（加图示）三角形内任何一点代表一定成分的三元合金。三角形内任何一点代表一定成分的三元合金。 2、相律和杠杆定理、相律和杠杆定理 、相律、相律 是指在平衡条件下，合金系统的组元数、相数和自由度数之间的是指在平衡条件下，合金系统的组元数、相数和自由度数之间的 关系式。可以用下式表示：关系式。可以用下式表示： f=c-p+n f=c-p+1（常压）（常压） f：自由度数：自由度数

11、 c：组元数：组元数 p：平衡时相数：平衡时相数 n：外界条件可变的数目：外界条件可变的数目 n分析系统中最多能有多少相可以平衡共存分析系统中最多能有多少相可以平衡共存 n分析结晶是在恒温还是在一定温度范围内进行分析结晶是在恒温还是在一定温度范围内进行 例如：例如：二元系合金，二元系合金，C=2，令，令f=0，则，则p=3（三个平衡相）（三个平衡相） 二元系合金，如结晶时，二元系合金，如结晶时，p=2，则，则f=2-2+1=1（变温）（变温） 如结晶时，如结晶时，p=3，则，则f=2-3+1=0 （恒温（恒温） （2）、杠杆定理）、杠杆定理 合金在结晶过程中，各相的成分及其相对合金在结晶过程中

12、，各相的成分及其相对 含量将发生变化。对于相图中的两相区，含量将发生变化。对于相图中的两相区， 可以应用所谓杠杆定律求出这两相的成分可以应用所谓杠杆定律求出这两相的成分 及相对含量。及相对含量。 在在A-B二元系中，任选一合金二元系中，任选一合金p，它的成分，它的成分 是是Xp（组元（组元B的浓度），组元的浓度），组元A的浓度为的浓度为 （1-Xp），在温度），在温度T时处于二相平衡，和时处于二相平衡，和 两相中组元两相中组元B的浓度分别为的浓度分别为Xa和和Xb，而组，而组 元元A的浓度为（）和（），设合金的重量的浓度为（）和（），设合金的重量 为为1，和的相对量分别为，和的相对量分别为C的

13、的C。这样。这样P点点 处两相中同一组元含量之和必等于合金处两相中同一组元含量之和必等于合金P 中相应组元的含，可得两个方程式：中相应组元的含，可得两个方程式： CXa+CXb=Xp C(1-Xa)+C(1-Xb)=1-Xp T T1 A B abp Xa Xp Xb ab pb xx xx c ab pb ab ap xx xx c ab ap pbCapC 3 二元合金常见相图的类型和特征二元合金常见相图的类型和特征 相 图 类 型 转 变 名 称 相 图 型 式 转 变 式 说 明 匀 晶 转 变 一 个 液 相L在 一 定 温 度 范 围 内 转 变 为 同 一 成 分 的 固 相 匀

14、 晶 型 同 素 异 晶 转 变 一 个 固 相 在 一 温 度 范 围 内 转 变 为 成 分 相 同 的 另 一 固 相 共 晶 转 变 恒 温 下 由 一 个 液 相L同 时 转 变 成 两 个 成 分 不 同 的 固 相 和 共 晶 型 共 析 转 变 恒 温 下 由 一 个 固 相 同 时 转 变 成 两 个 成 分 不 同 的 固 相 和 包 晶 转 变 恒 温 下 由 一 个 液 相L和 一 个 固 相 作 用 生 成 一 个 新 的 固 相 包 晶 型 包 析 转 变 恒 温 下 两 个 固 相 及 作 用 生 成 另 一 个 固 相 L L+ L+ L + L L L L +

15、 + L+ + （二）、合金的组成（二）、合金的组成 1、基本概念、基本概念 n合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有 金属特性的物质。金属特性的物质。 n组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也可组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也可 以是化合物。以是化合物。 n相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀 部分。部分。 n组织：材料内部的微观形貌图象。组织：材料内部的微观形貌图象。 2、合金的基本相、合金的基本相 固溶

16、体固溶体 金属间化合物金属间化合物 据结构的基本特点可分为据结构的基本特点可分为 n固溶体固溶体 n定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀 固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组 元的点阵类型。元的点阵类型。 n分类分类 据溶剂类型据溶剂类型 一次固溶体一次固溶体 二次固溶体二次固溶体 按固溶度按固溶度 有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体 按溶质原子的占位按溶质原子的占位 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 按溶剂、溶质原子间相对分布按溶剂、溶质原

17、子间相对分布 无序固溶体无序固溶体 有序固溶体有序固溶体 金属间化合物金属间化合物 合金中各组元合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大，的化学性质和原子半径彼此相差很大， 或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可 能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属 之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、 不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物 统称为金属间化合物。统称为金属间化合物。 稀

18、土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其 中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金 SmCo5和和Sm2Co17就是典型的例子。就是典型的例子。 金属金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足 正常化合价平衡的规律。正常化合价平衡的规律。 （三）、合金的磁性（三）、合金的磁性 n3d过渡族合金的结构和磁性过渡族合金的结构和磁性 n稀土族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性 n固溶体的结构和磁性固溶体的结构和磁性 1、3d过渡族合金的结构和磁性过渡族合金

19、的结构和磁性 n多为无序固溶体，且多显示铁磁性；多为无序固溶体，且多显示铁磁性； n合金的自发磁化与平均外层电子数（合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函）成函 数关系（斯莱特数关系（斯莱特-泡林曲线）（图示）泡林曲线）（图示） 2.稀土族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性 n多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁 材料都是以金属间化合物为基的材料。材料都是以金属间化合物为基的材料。 n晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。 n轻稀土化合物中轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而电子

20、磁矩是属铁磁耦合，而 重稀土化合物中重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。电子磁矩是亚铁磁性耦合。 3 固溶体的结构和磁性固溶体的结构和磁性 磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有 序固溶体；相当多的金属间化合物。序固溶体；相当多的金属间化合物。 n形成形成 置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不 同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换 相互作用的综

21、合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于 溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二 次磁特性改变，特别对软磁不利。次磁特性改变，特别对软磁不利。 n形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影 响很大。响很大。 n有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同， 其交换相互作用不同，使基本磁特性变化

22、；另一方面，在有序核形成其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成 初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次 磁特性也改变。磁特性也改变。 n本征磁特性；二次磁特性本征磁特性；二次磁特性back 2.2 相变、脱溶和失稳分解相变、脱溶和失稳分解 n一、固态相变一、固态相变 1、定义、定义 当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下，当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下， 其化学成分或浓度、结构类型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理其化学成分或浓度、结构类

23、型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理 特性等一项或多项发生突变。特性等一项或多项发生突变。 2、相变的驱动力和阻力、相变的驱动力和阻力 相变的方向相变的方向 G0 G=G=VgVgv vVVVV 驱动力：驱动力： VgVgv v 总的化学自由能总的化学自由能 阻力：总界面能阻力：总界面能V和总应变能和总应变能V 3、金属磁性材料的固态相变、金属磁性材料的固态相变 主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室 温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，以获得高（温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，

24、以获得高（）和）和 低（低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构，），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构， 来提高（来提高（Br）和（）和（Hc）。）。 二、过饱和固溶体的脱溶二、过饱和固溶体的脱溶 1、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱 和的相变。和的相变。 条件条件 ：固溶度随温度、成份、压强变化。：固溶度随温度、成份、压强变化。 2、分类、分类 连续脱溶连续脱溶 不连续脱溶不连续脱溶 3、脱溶过程、脱溶过程 GP区区 “ ：母相：母相 GP区：

25、溶质原子偏聚区区：溶质原子偏聚区 、“：过渡相：过渡相 ：新相：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；平衡相：应变能最小，界面能最高； 过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低 GP区：界面能和应变能较小区：界面能和应变能较小 4、脱熔对磁性合金的影响、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金、金属软磁合金 使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。 金属永磁合金金属永磁合金 脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢。脱溶对金属永磁特性的提高有

26、重要作用，特别是析出硬化磁钢。 3、脱溶过程、脱溶过程 GP区区 “ ：母相：母相 GP区：溶质原子偏聚区区：溶质原子偏聚区 、“：过渡相：过渡相 ：新相：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；平衡相：应变能最小，界面能最高； 过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低 GP区：界面能和应变能较小区：界面能和应变能较小 4、脱熔对磁性合金的影响、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金、金属软磁合金 使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效 地改善合金的软磁特性。地改善合金的软磁特性。 金属永磁合金金

27、属永磁合金 脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢 三、失稳分解三、失稳分解 过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固 溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化 到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀 相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。相转变。其中失稳分解

28、就是这种匀相转变中的很重要的一类。 1、概念、概念 当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时，此固溶体就会失时，此固溶体就会失 去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。 2、特点、特点 n匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并 非形核成长过程。非形核成长过程。 n浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。 n产生的两相和母相的晶格类型是相同产生的两相和母

29、相的晶格类型是相同 的，仅晶格常数稍有偏差。的，仅晶格常数稍有偏差。 3、对金属永磁材料的影响、对金属永磁材料的影响 分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高 的矫顽力，具有优异的永磁特性。的矫顽力，具有优异的永磁特性。 0 2 2 c f 2.3 金属磁性材料的织构化金属磁性材料的织构化 在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排 列的状态，称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。列的状态，称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。 织构的种

30、类：织构的种类： 二、磁性织构的形成二、磁性织构的形成 、磁场热处理、磁场热处理 将磁性材料加热到居里温度附近，这时加上直流磁场，让磁性材料将磁性材料加热到居里温度附近，这时加上直流磁场，让磁性材料 在磁场中保温一定时间并慢冷（或控速冷却）到室温。所加磁场的在磁场中保温一定时间并慢冷（或控速冷却）到室温。所加磁场的 方向为该材料的宏观易磁化方向。方向为该材料的宏观易磁化方向。 磁伸缩理论磁伸缩理论 n能解释部分材料的磁场热处理效果能解释部分材料的磁场热处理效果 n纯金属纯金属s0，无磁场热处理效果，无磁场热处理效果 n合金合金s0，却仍然磁场热处理效果好，却仍然磁场热处理效果好 奈耳奈耳谷口原

31、子对方向性有序化理论谷口原子对方向性有序化理论 、磁场成型、磁场成型 将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末，在磁场中压制或成型将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末，在磁场中压制或成型 （挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体，这些（挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体，这些 永磁体就具有磁性织构。永磁体就具有磁性织构。 二、结晶织构的形成二、结晶织构的形成 、反复冷轧热处理、反复冷轧热处理 应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列 、定向结晶、定向结晶 使磁性合金从熔融状态开始，严格控制温度梯度进行冷却，让结使磁性合金从

32、熔融状态开始，严格控制温度梯度进行冷却，让结 晶沿一定方向进行，从而得到定向结晶。晶沿一定方向进行，从而得到定向结晶。 n冷金属板法冷金属板法 n发热铸型法发热铸型法 n蜂巢铸型法蜂巢铸型法 n概述概述 n理论基础理论基础 n工业纯铁工业纯铁 n铁铁硅合金硅合金 n铁镍合金铁镍合金 n铁粉芯铁粉芯 n纳米晶软磁合金纳米晶软磁合金 第三章金属软磁材料第三章金属软磁材料 一、性能的基本要求一、性能的基本要求 n贮能高贮能高 n高的饱和磁感应强度高的饱和磁感应强度 n灵敏度高灵敏度高 n初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率 n效率高效率高 nHc低，电阻率高，损耗小低

33、，电阻率高，损耗小 n回线矩形比高回线矩形比高 n稳定性好稳定性好 磁滞回线较窄磁滞回线较窄 矫顽力小矫顽力小 磁导率高磁导率高 二、金属软磁材料的理论基础二、金属软磁材料的理论基础 影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗 （一）、影响磁导率的因素 n机理机理： 可逆磁畴转动 可逆畴壁位移 n动力动力：饱和磁化强度 n阻力阻力：内应力、参杂、空泡、晶界 1、可逆磁畴转动 2、可逆畴壁位移 其中其中 eff s i K M 2 0 d K M eff s i 3 1 2 0 sueff KKK 2 3 1 畴壁厚度 杂质直径 杂质体积浓度 （二）、提高磁

34、导率的措施（二）、提高磁导率的措施 1、提高饱和磁化强度、提高饱和磁化强度Ms 2、有效方法，使、有效方法，使K10，s0 3、高温退火、高温退火 4、真空热处理、真空热处理 5、氢气热处理、氢气热处理 6、使材料杂质相对集中、使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼、真空熔炼、精炼 8、进行织构化、进行织构化 1、提高饱和磁化强度、提高饱和磁化强度Ms nMs主要由材料的成分决定，而所有软磁材料都含有铁，要主要由材料的成分决定，而所有软磁材料都含有铁，要 想在很大程度上提高饱和磁化强度是不可能的。提高想在很大程度上提高饱和磁化强度是不可能的。提高Ms不不 能作为改善磁性能的主要途径能作为改善磁

35、性能的主要途径。 例如：例如： 含镍量为79%左右的镍铁合金经特殊的热处理后，初始磁 导率和最大磁导率可以比铁-硅合金高几倍至几百倍，但其Ms 却只有后者的一半左右。 4、真空热处理、真空热处理 在真空气氛（乇以下）保护下进行高温退火，可消除在真空气氛（乇以下）保护下进行高温退火，可消除 材料的应力，并去除部分杂质，比普通退火好。材料的应力，并去除部分杂质，比普通退火好。 作用：作用： n防止材料在热处理中氧化防止材料在热处理中氧化 n防止在材料热处理中渗入杂质防止在材料热处理中渗入杂质 n在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质 n消除应力消除应力 缺点：

36、缺点： n在真空气氛下，合金某些成分易挥发，使成分偏离在真空气氛下，合金某些成分易挥发，使成分偏离 n工艺复杂，成本高工艺复杂，成本高 5、氢气热处理、氢气热处理 在H2气氛保护下进行高温退火 作用：作用： n防止材料在热处理中氧化 n防止在材料在热处理中渗入杂质 n在热处理中去除杂质 n消除应力 缺点：缺点： n要求氢气纯高，成本高 n温度和氢气流量较难控制 6、使材料杂质相对集中使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼、真空熔炼、精炼 8、进行织构化、进行织构化 3.2 3.2 工业纯铁工业纯铁 一、特点一、特点 纯度在纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。以上的铁，不含任何

37、故意添加的合金元素。 室温性能：室温性能：Bs=2.15(T),居里点居里点f=770,m=20000, =0.110-6(.m)。 杂质对其性能有较大影响，见表（杂质对其性能有较大影响，见表（5.1.1 252页）。页）。 n碳含量低碳含量低 n矫顽力低矫顽力低 n磁导率高磁导率高 n导热性和加工性好导热性和加工性好 n有一定的耐腐蚀性和价格便宜有一定的耐腐蚀性和价格便宜 n电阻率低，不能在交流磁场中应用电阻率低，不能在交流磁场中应用 二、应用二、应用 n作金属磁性材料的重要原料作金属磁性材料的重要原料 n在直流磁场中，作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。在直流磁场中，作为恒定磁场中的

38、磁导体。如作磁极和磁屏蔽。 三、分类三、分类 1、电解铁、电解铁 含有含有0.050.02%C、 Mn 0.01%、 P0.005%、 S0.004%、 Al0.01%、Cu0.015%。电磁性能：。电磁性能：i=500、m=1500、 Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.6(10-8 .m) 2、阿姆柯铁、阿姆柯铁 含含C 0.025%、 Mn 0.035%、 P0.015%、S0.05%、 Cu0.08%。磁性能：。磁性能：i=20005000、m=600015000、 Hc=0.5 1.5(79.6A/m) 3、羰基铁、羰基铁 由由Fe（Co）5分解而成，纯度高

39、。磁性能：分解而成，纯度高。磁性能：i=20003000、 m=2000021500、Br=0.5 1.0(T)、Hc=0.08(79.6A/m)、 =9.6(10-8 .m) 3.3 3.3 铁硅合金铁硅合金 铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电 动机、和发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要动机、和发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要 的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。 n19001930年，炼钢和热轧加工技术年，炼钢和热轧加工技术 n193460年年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层

40、晶粒取向、热处理、玻璃涂层 n1983至今年至今年 辐射辐射 一、铁硅合金相图一、铁硅合金相图 由相图可以看出由相图可以看出 n随着合金含硅量的增加，随着合金含硅量的增加，的转变温度上升，的转变温度上升，的转变的转变 温度下降，两者在大约温度下降，两者在大约2.5% Si处相交，形成一封闭的处相交，形成一封闭的“ 回线回线”。 n3.2%Si-Fe合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中，合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中， 不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构，不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构， 这对在较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温度这对在

41、较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温度 从高温缓慢冷却到室温时，又不会象纯铁那样受到从高温缓慢冷却到室温时，又不会象纯铁那样受到和和 转变的干扰，因此这种合金很容易制成单晶。转变的干扰，因此这种合金很容易制成单晶。 n回线的大小对合金的含回线的大小对合金的含C量十分敏感。对铁硅合金，应使含量十分敏感。对铁硅合金，应使含 C下降到下降到0.01%以下。以下。 n再结晶：再结晶：当加热温度较高时，变形金属的显微 组织发生显著的变化，破碎的、被拉长的晶粒 全部转变成均匀而细小的等轴晶粒。 再结晶时金属不发生晶格类型的变化，而是形成 无晶格畸和加工硬化的新晶粒，晶粒的形状和 大小也发生了相应的

42、变化。 BACK n硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大，硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大， 饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零。这对提高磁导率和降低矫顽力是有饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零。这对提高磁导率和降低矫顽力是有 利的。利的。 n添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。 n铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机 的重量有利。的重量有利。 n硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢

43、的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的 O2合成合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和 氧所引起的老化现象。氧所引起的老化现象。 n硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。 n饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。 n硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。 三、硅钢片的退火

44、三、硅钢片的退火 普通退火：普通退火：800900 高温退火：高温退火：10501200 作用：削除了加工硬化现象，减少了杂质或改变了碳的作用：削除了加工硬化现象，减少了杂质或改变了碳的 形态，磁性因而获得改善。形态，磁性因而获得改善。 n非取向硅钢片：非取向硅钢片： 热轧硅钢片热轧硅钢片 冷轧硅钢片冷轧硅钢片 n晶粒取向硅钢片：晶粒取向硅钢片： 单取向硅钢片戈斯织构单取向硅钢片戈斯织构 双取向硅钢片双取向硅钢片 立方织构立方织构 硅钢片的生产流程如下：硅钢片的生产流程如下： 立方织构硅钢片主要的制备工艺立方织构硅钢片主要的制备工艺 n只要条件允许，制造纯度尽可能高的铁硅合金。材料的这 种高纯

45、状态是出现立方织构的重要先决条件。 n通过热轧和冷轧，以及在适当的气氛中进行中间退火，将 材料轧到一定的厚度； n在最后一道轧制完成后，通过退火发展（110）001或 （120）001型的初次（或二次）织构。 n在严密控制的气氛中进行最后退火,以便通过二次或三次再 结晶发展立方织构。 3.3 铁镍合金铁镍合金 一、概述一、概述 含含Ni为为30%90%的铁的铁-镍系软磁合金一般统镍系软磁合金一般统 称为坡莫合金（或叵姆合金）。称为坡莫合金（或叵姆合金）。 n特点特点 n分类分类 1、特点、特点 n成份范围很窄，性能可以通过成份和热处理工艺来成份范围很窄，性能可以通过成份和热处理工艺来 调整，可

46、以满足各种要求调整，可以满足各种要求 n加工性能好加工性能好 n低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力 2、分类、分类 含含Ni量：低镍合金小于量：低镍合金小于45% 中镍合金中镍合金45%70% 高镍合金高镍合金70%80% 用途：磁芯材料用途：磁芯材料 热敏材料热敏材料 磁头材料磁头材料 磁性能：高磁导率铁镍合金磁性能：高磁导率铁镍合金 高矩磁铁镍合金高矩磁铁镍合金 恒磁导率铁镍合金恒磁导率铁镍合金 二、铁镍合金相图二、铁镍合金相图 由相图可以看出由相图可以看出 n含镍量从含镍量从30%到到100%的镍铁合金在室温下是由单一的镍铁合金在室温

47、下是由单一 的面心立方结构的的面心立方结构的相组成。相组成。 n在合金含量小于在合金含量小于30%时，时，相在较低温度下可通过马相在较低温度下可通过马 氏体相变转变为体心立方的氏体相变转变为体心立方的相，这种结构转变有明显相，这种结构转变有明显 的热滞现象，即升温时的的热滞现象，即升温时的转变转变a温度和降温时温度和降温时 的转变温度不重合。两相区难以确定。的转变温度不重合。两相区难以确定。 n在相当于在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无成分处会发生有序和无 序相转变。有序化转变温度在序相转变。有序化转变温度在506。 二、合金成分对电磁性能的影响二、合金成分对电磁性能

48、的影响 n电阻率的最大值出现在含电阻率的最大值出现在含Ni量量3040% 的范围。在纯金属中加入杂质元素后，的范围。在纯金属中加入杂质元素后， 由于电子运动的自由程缩短，电阻率必由于电子运动的自由程缩短，电阻率必 然增加。加入的杂质元素愈多，则电阻然增加。加入的杂质元素愈多，则电阻 率值愈高。对铁镍合金而言，含率值愈高。对铁镍合金而言，含Ni35% 以下，是以下，是Ni原子固溶在原子固溶在Fe中。而中。而 Ni35%以上，是以上，是Fe原子固溶在原子固溶在Ni中。中。 n居里温度居里温度 n在含在含Ni量为量为010%和和65100%两个成分范围内，两个成分范围内， 居里温度随镍含量的增加而下

49、降。居里温度随镍含量的增加而下降。 n当含镍量为当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里左右时，由于非磁性相的出现，居里 温度急剧下降。温度急剧下降。 n在在67%Ni附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交 换能，故居里温度出现最大值。换能，故居里温度出现最大值。 n饱和磁感应强度饱和磁感应强度 n由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以020%Ni之之 间，间，Bs随含镍量的增加而下降。在随含镍量的增加而下降。在2035%Ni范围内，范围内， 由于出现了非磁性相，由于出现了非磁性相，Bs发生突变而迅速一降。发生突变而迅

50、速一降。 n磁晶各向异性常数磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数和磁致伸缩系数s n通过控制冷却速度和成分可有效地控制通过控制冷却速度和成分可有效地控制K1和和 s，从而达到提高磁性能的目的。，从而达到提高磁性能的目的。 三、热处理对铁镍合金磁性的影响三、热处理对铁镍合金磁性的影响 1、叵姆处理、叵姆处理 获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、 低的低的K1和和s值、高的值、高的Bs。为了避免有序化，同时减少内应。为了避免有序化，同时减少内应 力。一般采用双重热处理（叵姆处理）的方法：力。一般采用双重热处理（叵姆处理）的方法： 将坡莫合金

51、退火后从将坡莫合金退火后从600将样品放在铜板上，在空气中将样品放在铜板上，在空气中 急冷，或在随炉冷却后，再加热到急冷，或在随炉冷却后，再加热到600，然后快速冷却，然后快速冷却， 即进行双重热处理。即进行双重热处理。 2、磁场热处理、磁场热处理 将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁 场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均 呈出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。呈出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。 在在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系合金中加

52、入钼、铬、铜等元素的多元系 坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适 当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。 而且电阻率也比而且电阻率也比78.5%Ni坡莫合金要高坡莫合金要高3倍，为倍，为 0.6010-3(.m)，但饱和磁感应强度从，但饱和磁感应强度从1.3(T) 降到降到0.60.8(T). 合金元素对高磁导率合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能合金性能 成分设计的原则是使成分设计的原则是使s0，通过调整热处理工艺使，通过调整热处理工艺使 K10，而获得高磁导率，而获得高磁导率 1、钼 钼小于15%

53、时，在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶， 它使： n电阻率上升 n含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和s更接近零 n钼可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低热 处理的冷却速度 n钼使K1=0的合金镍含量增加。4Mo-79Ni 5Mo- 80Ni 6Mo-81Ni n降低合金的0Ms和居里温度。 2、铜、铜 n改善合金的冷加工性能改善合金的冷加工性能 n铜使合金的铜使合金的a及及m值提高，且降低了磁导率对成分的值提高，且降低了磁导率对成分的 敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对a及及m值值 影响不大影响不大 n铜可抑制合金中有序相铜可抑制合金中有序

54、相FeNi3的形成，因而可以降低热的形成，因而可以降低热 处理的冷却速度处理的冷却速度 n降低合金的降低合金的0Ms和居里温度。和居里温度。 3、其它元素、其它元素 n锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、 脱氧、改善热加工性能。脱氧、改善热加工性能。 n铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的 形成，提高合金的电阻率值形成，提高合金的电阻率值 n钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。 n碳可以脱氧，但碳可以脱氧，但C含量大于含量大于0.05%时使磁性急时使磁性急 剧

55、下降。剧下降。 n硅加入硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和左右对合金磁性有利，因其和 锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。 n磷大于磷大于0.06%时，使合金的时，使合金的值急剧下降值急剧下降。 3.4 磁介质磁介质 磁介质是将铁磁体粉粒与绝缘介质混合压制成的磁性磁介质是将铁磁体粉粒与绝缘介质混合压制成的磁性 材材,常称为铁粉芯常称为铁粉芯.在磁介质中在磁介质中,每一铁磁颗粒间在电与磁每一铁磁颗粒间在电与磁 方面彼此分隔方面彼此分隔,故可隔断涡流。故可隔断涡流。 一、磁介质的磁导率一、磁介质的磁导率 介 介铁磁体的磁导率 铁磁体的磁导率 铁 铁磁介质的磁

56、导率 磁介质的磁导率 g绝缘介质所占体积的比值绝缘介质所占体积的比值 )1(3 )23)(1(3 铁 铁 介 g g 二、磁介质的制造工艺二、磁介质的制造工艺 n绝缘处理为关键技术绝缘处理为关键技术 n热处理一般分为低温热处理和高温热处理热处理一般分为低温热处理和高温热处理 n固化磁芯固化磁芯 n消除压制粉末所产生的内应力，以提高磁特性。消除压制粉末所产生的内应力，以提高磁特性。 三、磁介质的种类三、磁介质的种类 n电解铁粉芯电解铁粉芯 n工艺简单，磁特性稳定，损耗较大。工艺简单，磁特性稳定，损耗较大。 n坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯 n磁导率高、损耗低、但价格贵。磁导率高、损耗低、但价格贵。 n

57、羰基铁粉芯羰基铁粉芯 n性能稳定，高频特性好，可用于几百性能稳定，高频特性好，可用于几百MHz场合。场合。 n铝硅铁粉芯铝硅铁粉芯 n磁导率中等，可具有负温度系数。磁导率中等，可具有负温度系数。 n随着软磁铁氧体的发展，磁介质的生产大大减少了。随着软磁铁氧体的发展，磁介质的生产大大减少了。 只有在高温、大功率、高频等特殊场合仍然离不开它只有在高温、大功率、高频等特殊场合仍然离不开它。 第三章金属永磁材料第三章金属永磁材料 n金属永磁材料概述金属永磁材料概述 n提高永磁特性的措施提高永磁特性的措施 n析出硬化型永磁材料析出硬化型永磁材料 n稀土永磁材料稀土永磁材料 4.1金属永磁材料概述金属永磁

58、材料概述 一、永磁材料发展概况一、永磁材料发展概况 （一）、对永磁特性参数的要求（一）、对永磁特性参数的要求 n剩余磁感应强度高剩余磁感应强度高 n矫顽力矫顽力HCJ和和HCB高高 n（BH）max要大要大 n曲线的退磁凸出系数趋于曲线的退磁凸出系数趋于1，=（BH） m/(BrHc)； ； n稳定性好。温度稳定性、磁场稳定性、时间稳定性稳定性好。温度稳定性、磁场稳定性、时间稳定性 （二）、将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能（二）、将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能 积点积点 附近。附近。 （三）、经济性好（三）、经济性好 三、分类三、分类 成分： n碳钢铝 n铝镍钴合金 n稀土合金 工艺

59、： n铸造型 n烧结型 n粘结型 四、矫顽力机理四、矫顽力机理 n高应力型 n单畴型 n成核型 n钉扎型 4.2 提高永磁特性的措施提高永磁特性的措施 永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积（永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积（BH）m判定，判定， 而（而（BH）m又取决于又取决于Br、Hc及隆起度及隆起度w。 一般一般Br变化范围小，如由变化范围小，如由0.2至至1.5T,仅相差约仅相差约8倍倍;而而 Hc变化范围大变化范围大,如由如由4103至至8103安安/米米,相差相差200倍倍, w可在可在0.0250.85间变化。间变化。 一一 、 剩磁剩磁Br n提高MS (MS由成分决定） n对于

60、成分给定的永磁材料，提高Br/Bs的比 值 n定向结晶 （铝镍钴系列） n磁场热处理 （铝镍钴系列） n磁场成型 n结晶定向、磁畴定向 二、二、 矫顽力矫顽力Hc 不可逆壁移不可逆壁移 磁畴内磁化矢量的不可逆转动磁畴内磁化矢量的不可逆转动 n是使残余磁感应强度变为零时所需的反向磁场的大小，主是使残余磁感应强度变为零时所需的反向磁场的大小，主 要依赖增加畴壁位移和畴转的阻力增大要依赖增加畴壁位移和畴转的阻力增大Hc值。值。 n如果如果Hc是由壁移机制决定的，可在合金内增加应力梯度及是由壁移机制决定的，可在合金内增加应力梯度及 非磁性相来增加非磁性相来增加Hc。这种机制只能获得较低的。这种机制只能