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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第一章概述第一章概述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（纳米级）软磁材料；非晶软磁薄带；超细微粉（纳米级）。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/M)n应用：电力工业、通讯技术、
3、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的磁场强度；利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场
4、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一、铁磁金属的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性（一）铁、
5、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FenNi:n在常压下，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
6、）为铁磁性的n-Ni居里点为居里点为358n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-Co112010100001n3d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（BBB)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
7、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，但只表现出纯粹的铁磁性，但磁磁 矩的取向随温度而变。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
8、 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、压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。力）的变化。相图就是用图解的形式来表示金属或合金的组织随成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。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
9、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）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
10、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 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应用：应用：应用：应用：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
11、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，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，
12、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的的C。这样。这样P点处点处两相中同一组元含量之和必等于合金两相中同一组元含量之和必等于合金P中相中相应组元的含，可得两个方程式：应组元的含，可得两个方程式：CXa+CXb=XpC(1-Xa)+C(1-Xb)=1-XpTT1ABabpXa Xp X
13、b3 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LL+L+L+LLL L+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
14、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
15、子间相对分布按溶剂、溶质原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
16、合物。稀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的结构和磁
17、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，而电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土
18、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合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一
19、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；另一方面，在有序核形成其交换相互作用不同，使基本
20、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back2.2 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，其当外界条件（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、物理特性化学成分或浓度、结构类型、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
21、。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V3、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，让材料在室温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（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（）和低）和低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多
22、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：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
23、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
24、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
25、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，此固溶体就会失去时，此
26、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。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
27、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。2.3 金属磁性材料的织构化金属磁性材料的织构化一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念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。织构的种类：织构的种类：n n结晶织构结晶织构结晶织构结晶织构n n磁性织构磁性织构磁性织构磁性织构n n双重织构双重织构双重织构双重织构二、
28、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子对方向性有序化理论谷口原子对方向性有序
29、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
30、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3.1 3.1 概述概述一、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，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
31、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 其中其中畴壁厚度杂质直径杂质体积浓度（二）、提高磁导率的措施（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、
32、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MsnMs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。2 2、有效方法，使、有效方法，使、有效方法，使、有效方法
33、，使K1K10 0，ss0 0n n控制成分，使控制成分，使控制成分，使控制成分，使K1K1K1K10000，ssss0000，甚至同时为零。使磁导率大大提高。，甚至同时为零。使磁导率大大提高。，甚至同时为零。使磁导率大大提高。，甚至同时为零。使磁导率大大提高。n n控制有序相和无序相的比例。控制有序相和无序相的比例。控制有序相和无序相的比例。控制有序相和无序相的比例。n n控制配方控制配方控制配方控制配方n n控制冷速控制冷速控制冷速控制冷速3 3、高温退火、高温退火、高温退火、高温退火将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓
34、慢冷却到室温，将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，得到接近平衡组织的热处理过程。得到接近平衡组织的热处理过程。得到接近平衡组织的热处理过程。得到接近平衡组织的热处理过程。作用：作用：作用：作用：n n消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶退火过
35、程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶n n恢复恢复恢复恢复原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。n n再结晶再结晶再结晶再结晶在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。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
36、，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：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
37、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、进行织构化三、常见金属软磁材料三、常见金属软磁材料n n工业纯铁工业纯铁工业纯铁工业纯铁n n铁硅合金铁硅合金铁硅合金铁硅合金n n铁镍合金铁镍合金铁镍合金铁镍合金n n铁铝合金铁铝合金铁铝合金铁铝合金n n铝硅铁合金铝硅铁合金铝硅铁合金铝硅铁合金n n非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金n n磁介质磁介质磁介质磁介质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，不含任何故意添加的
38、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，作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。三、分类
39、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。磁性能：分解而成，纯度高。磁性能：i=20003000、m=200
40、0021500、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、电动铁硅合金，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，它是最重要的铁机、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。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
41、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%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这对在较高温度下进行再结晶再结晶退火十分有利，同时，当温度退火十分有利，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
42、，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变化。BACK二、硅对合金性能的影响二、硅对合金性能的影响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
43、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利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。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的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。重量有利。n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
44、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
45、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。四、硅钢片的制备四、硅钢片的制备四、硅钢片的制备四、硅钢片的制备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
46、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
47、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
48、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
49、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
50、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sn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