第4章软磁材料

1、1第4章软磁材料衡量软磁材料的重要指标衡量软磁材料的重要指标提高起始磁导率的途径提高起始磁导率的途径金属软磁材料金属软磁材料铁氧体软磁材料铁氧体软磁材料非晶及纳米晶软磁材料非晶及纳米晶软磁材料本章讲述的主要内容：本章讲述的主要内容：能够迅速响应外磁场的变化，且能低能够迅速响应外磁场的变化，且能低耗损地获得高磁感应强度的材料。耗损地获得高磁感应强度的材料。24.1 衡量软磁材料的重要指标起始磁导率起始磁导率高高 矫顽力矫顽力H HC C 小饱和磁感应强度饱和磁感应强度M MS S 高磁损耗磁损耗小小 稳定性稳定性好好 与MS平方成正比；与K1和S成反比；与内应力和杂质浓度成反比 降低HC的方法与

2、提高i的方法相一致 调节配方34.2提高起始磁导率的途径降低磁晶各向异性常数降低磁晶各向异性常数K K1 1和磁致伸缩系数和磁致伸缩系数S S 改善材料的显微结构改善材料的显微结构 降低内应力降低内应力 提高饱和磁化强度提高饱和磁化强度M MS S MS很难调整，效果不明显是最有效的方法，从配方和工艺上使K10，S0 （FeNi合金） 降低杂质和气孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的织构化 （MnZn合金）44.3 金属软磁材料电工纯铁电工纯铁硅钢硅钢坡莫合金坡莫合金其它软磁合金其它软磁合金铁铝合金 铁硅铝合金 铁钴合金 54.3.1电工纯铁指纯度在指纯度在99.8以上的铁以上的铁 是最早，最常用的

3、纯金属软磁材料是最早，最常用的纯金属软磁材料 面心立方面心立方 体心立方体心立方升温、加压升温、加压降温、降压降温、降压6结构与磁性的变化相结构随温度和压力变化相结构随温度和压力变化结构和磁性随温度变化结构和磁性随温度变化相结构的变化导致磁性变化相结构的变化导致磁性变化7Fe-C相图Fe3Cd-d-Feg-g-Fea-a-FeL012345671600140012001000800600400T/ c/%Fe8含碳量影响磁性能 c增加（增加（）主要是因为碳对畴壁移主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用动形成阻碍作用 Cu、Mn、Si、N、O、S等也等也会对软磁性能产生不利影响会对软磁性能产生不利影

4、响 max减少（减少（）Hc上升（上升（）9电工纯铁的主要用途磁铁的铁芯和磁极磁铁的铁芯和磁极继电器的磁路和各种零件继电器的磁路和各种零件感应式和电磁式测量仪表的各种零件感应式和电磁式测量仪表的各种零件扬声器的磁路扬声器的磁路电话中的振动膜电话中的振动膜电机中用以导引直流磁通的磁极电机中用以导引直流磁通的磁极冶金原料冶金原料电工用纯铁主要用于制造：电工用纯铁主要用于制造：104.3.2 硅钢电工纯铁只能在直流磁场下工作，电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场中，在交变磁场中，涡流损耗大涡流损耗大电阻率（电阻率（），涡流损耗（），涡流损耗（）硅钢也称硅钢也称硅钢片硅钢片或或电工钢片电工钢片 碳

5、碳的质量分数的质量分数 c c在在0.020.02以下，以下，硅硅的质量分数的质量分数为为1.51.54.54.5的的FeFe合金合金 在纯铁中加入硅，形成固溶体，这样在纯铁中加入硅，形成固溶体，这样11硅钢的性能60Hz，B=1T,厚度为厚度为0.35mm12冷轧无取向硅钢片13评价和用途添加适量硅，添加适量硅，K K（）， s s（），铁损（铁损（）因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料主要用于：主要用于：扼流圈扼流圈各种形式的电动机、发电机和变压器各种形式的电动机、发电机和变压器电磁机构电磁机构继电器继电器测量仪表测量仪表已经成为用量最大

6、的磁性材料已经成为用量最大的磁性材料144.3.3坡莫合金坡莫合金源于英文坡莫合金源于英文permalloy是指是指镍镍的质量分数为的质量分数为3090的镍铁合金的镍铁合金 坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节坡莫合金中含有坡莫合金中含有Ni，因此，因此 磁学特性优于硅钢磁学特性优于硅钢 价格贵于硅钢价格贵于硅钢15合金成分与磁学特性急冷是防止急冷是防止Ni3Fe相析出相析出16典型成分在在 Ni为为75%83%的范围内，具有最佳的综合软磁性能：的范围内，具有最佳

7、的综合软磁性能： Ni在在81附近，磁致伸缩系数附近，磁致伸缩系数 s0 Ni在在76附近，磁各向异性常数附近，磁各向异性常数K0 但是，但是，饱和磁通密度较低饱和磁通密度较低，Ni又是又是高价高价金属材料金属材料所以通常采用所以通常采用 Ni为为4050的坡莫合金的坡莫合金通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率可以满足实用要求可以满足实用要求 17坡莫合金的用途高磁导率的铁芯材料高磁导率的铁芯材料磁屏蔽材料磁屏蔽材料恒磁导率脉冲变压器恒磁导率脉冲变压器各种矩磁合金各种矩磁合金热磁合金热磁合金磁致伸缩合金磁致伸缩合金坡莫合金主要用于：坡莫合金主要用于：18

8、4.3.4其他软磁合金铁铝合金铁铝合金 铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料 通过通过调解铝的含量调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料，可以获得满足不同要求的软磁材料： 高的磁导率 高的电阻率 高的饱和磁致伸缩系数 高的硬度、强度和耐磨性 铁铝合金铁铝合金价格低廉价格低廉，常作为铁镍合金的替代品。其主要，常作为铁镍合金的替代品。其主要用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放大铁芯，超声波换能器元件，磁头等大铁芯，超声波换能器元件，磁头等19铁硅铝合金又称仙台斯特合金，是又称仙台斯特合金，是1

9、9321932年在日本仙台被开发出来的年在日本仙台被开发出来的成分为成分为Fe-9.6Si-5.4Al在该成分时，合金的磁致伸缩系数在该成分时，合金的磁致伸缩系数 s s和磁各向异性常数和磁各向异性常数K K1 1几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。同时，不需要高价的同时，不需要高价的CoCo和和NiNi，而且电阻率高、耐磨性好，而且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。 20铁钴合金铁钴合金具有铁钴合金具有高的饱和磁化强度高的饱和磁化强度，在，在 Co为为35时，时，最大饱和磁化强度达到最大

10、饱和磁化强度达到2.45T。在在 Co为为50左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强度，高的初始磁导率和最大磁导率。度，高的初始磁导率和最大磁导率。铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，也是一种很好的磁致伸缩合金。也是一种很好的磁致伸缩合金。214.4 铁氧体软磁材料软磁铁氧体最早由软磁铁氧体最早由Snock于于1935年研制成功的年研制

11、成功的这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易小，既容易获得磁性，也容易失去磁性。获得磁性，也容易失去磁性。软磁铁氧体的磁性来源于软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性亚铁磁性，故饱和磁化强度，故饱和磁化强度MS较金属低，但比金属软磁的电阻率较金属低，但比金属软磁的电阻率 要高得多，因此具有要高得多，因此具有良好的良好的高频特性高频特性。在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技术及其它电子科技中用作电感元件

12、和变压器等。术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。发展最早，应用最广的一类铁氧体材料发展最早，应用最广的一类铁氧体材料 22软磁铁氧体材料类别软磁铁氧体材料主要包括软磁铁氧体材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石等尖晶石型铁氧体以及型铁氧体以及Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体等平面六角型铁氧体 。在在1MHz频率下，频率下，锰锌铁氧体锰锌铁氧体应用极广。其磁滞损耗低，应用极广。其磁滞损耗低，在相同高磁导率的情况下居里温度较在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高，起始磁导率高，起

13、始磁导率 i高，且价格低廉。高，且价格低廉。 在在1100MHz范围内，范围内，镍锌铁氧体镍锌铁氧体应用最广。因为应用最广。因为Ni2+不不易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。由于镍的价格较高，在频率低于由于镍的价格较高，在频率低于30MHz的情况下，可以的情况下，可以用价格便宜的用价格便宜的镁锌铁氧体镁锌铁氧体来代替，只是性能稍差一些。来代替，只是性能稍差一些。23软磁铁氧体主要应用方向由于晶体结构的限制，立方晶系铁氧体的使用频由于晶体结构的限制，立方晶系铁氧体的使用频率大体上仅能在数百兆赫之下。率大体上仅能在数百兆赫之下。几百

14、兆赫几百兆赫到到数千兆赫数千兆赫的高频软磁材料基本上是以的高频软磁材料基本上是以平面型六角晶系平面型六角晶系铁氧体为主铁氧体为主 现代软磁铁氧体材料发展的主要方向现代软磁铁氧体材料发展的主要方向 ：高磁导率高磁导率材料，材料， i104，用于宽频带变压器、低频变，用于宽频带变压器、低频变压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器等。压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器等。 高饱和磁感应强度低功耗材料（又称高饱和磁感应强度低功耗材料（又称功率铁氧体功率铁氧体）。）。用于开关电源、电视机偏转磁芯及用于开关电源、电视机偏转磁芯及U型磁芯型磁芯 244.5 非晶及纳米晶软磁材料晶态与非晶态晶态DE1AEnC

15、E2B晶态与非晶的原子排布晶态与非晶的原子排布晶态与非晶的能垒模型晶态与非晶的能垒模型254.5.1非晶态软磁材料作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。原子排布为长程无序、短程有序；原子排布为长程无序、短程有序；不存在位错及晶粒边界；不存在位错及晶粒边界；加热具有结晶化倾向；加热具有结晶化倾向；电阻率比晶态材料高；电阻率比晶态材料高；机械强度较高且硬度较高；机械强度较高且硬度较高；电阻率高，涡流损耗小。电阻率高，涡流损耗小。所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能非晶态材料的特征：非晶态材料的特征：26典型的非晶态磁性材料其中其

16、中T为为Fe，Co；R为为Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（等（光磁记录材料光磁记录材料）。）。 3d过渡金属（T）非金属系。其中其中T T为为FeFe，CoCo，NiNi等；非金属为等；非金属为B B，C C，SiSi，P P等。例如等。例如Co-Fe-B-SiCo-Fe-B-Si非晶薄带（音频磁头等），非晶薄带（音频磁头等），Fe-SiFe-Si（磁芯材（磁芯材料），料），FeFe7878SiSi1010B B1212（高磁致伸缩材料高磁致伸缩材料）。）。 3d过渡金属（T）金属系。其中其中T为为Fe，Co，Ni等；金属为等；金属为Ti，Zr，Nb，T

17、a等。例等。例如，如，Co-Nb-Zr系溅射薄膜，系溅射薄膜，Co-Ta-Zr系溅射薄膜（系溅射薄膜（VTR磁头，薄膜磁头磁头，薄膜磁头）。）。 过渡金属（T）稀土类金属（R）系。27非晶态材料的制备方法气体液体非晶体晶体高能粒子注入（平衡）（获得非晶态的途径用空心箭头标出）非晶材料的制备方法非晶材料的制备方法气相沉积；气相沉积；液相急冷；液相急冷；高能粒子注入高能粒子注入非晶材料制备方法通常有：28非晶软磁材料的应用 铁基非晶带的损耗仅为硅钢的铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1/3，在电力工业中应，在电力工业中应用可以显著地降低损耗，但由于用可以显著地降低损耗，但由于成本较高成本较高，目前尚难，目

18、前尚难以大量取代传统的材料以大量取代传统的材料现在在下列方面获得应用：现在在下列方面获得应用：高功率脉冲变压器高功率脉冲变压器航空变压器航空变压器开关电源开关电源29环型非晶电感线圈304.5.2纳米晶软磁材料1988年年，Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。）。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感高磁感应强度应强度和钴基非晶合金的和钴基非晶合金的高磁导率高磁导率、低损耗低损耗，并且是成，并且是成本本低廉低廉的铁基材料。的铁基材料。铁

19、基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展突破性进展。目前已经开发或正在开发研究的系统有目前已经开发或正在开发研究的系统有Fe-Cu-M-Si-B（M为为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、等）、Fe-M-C和和Fe-M-V（M为为Ta等耐热金属）系等纳米晶软磁材料。等耐热金属）系等纳米晶软磁材料。 31晶粒尺寸与矫顽力的关系纳米晶软磁发明之后，才全面认识到晶粒尺寸与矫顽力的关系32纳米晶与铁氧体、非晶性能对比FinemetFT-1KMMnZn铁氧体Co基非晶Fe基非晶10kHz500005300900004500100kHz1600030%5300180004500饱和磁通密度BST1.350.440.531.56矫顽力HCA/m1.38.00.325.0矩磁比（Br/BS）0.600.230.500.65磁芯损耗PCkW/m335012003002200居里温度TC570150180415饱和磁致伸缩常数S10-6+2.30+27电阻率m1.110-60.201.310-61.410-6密度dSMg/m37.44.857.77.1833各类软磁材料性能比较Co基非晶合金纳米微晶Fe-M-B