第4章軟磁材料

1、1第4章軟磁材料衡量軟磁材料的重要指標(biāo)衡量軟磁材料的重要指標(biāo)提高起始磁導(dǎo)率的途徑提高起始磁導(dǎo)率的途徑金屬軟磁材料金屬軟磁材料鐵氧體軟磁材料鐵氧體軟磁材料非晶及納米晶軟磁材料非晶及納米晶軟磁材料本章講述的主要內(nèi)容：本章講述的主要內(nèi)容：能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，且能低能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，且能低耗損地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。耗損地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。24.1 衡量軟磁材料的重要指標(biāo)起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率高高 矯頑力矯頑力H HC C 小飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度M MS S 高磁損耗磁損耗小小 穩(wěn)定性穩(wěn)定性好好 與MS平方成正比；與K1和S成反比；與內(nèi)應(yīng)力和雜質(zhì)濃度成反比 降低HC的方法與

2、提高i的方法相一致 調(diào)節(jié)配方34.2提高起始磁導(dǎo)率的途徑降低磁晶各向異性常數(shù)降低磁晶各向異性常數(shù)K K1 1和磁致伸縮系數(shù)和磁致伸縮系數(shù)S S 改善材料的顯微結(jié)構(gòu)改善材料的顯微結(jié)構(gòu) 降低內(nèi)應(yīng)力降低內(nèi)應(yīng)力 提高飽和磁化強(qiáng)度提高飽和磁化強(qiáng)度M MS S MS很難調(diào)整，效果不明顯是最有效的方法，從配方和工藝上使K10，S0 （FeNi合金） 降低雜質(zhì)和氣孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的織構(gòu)化 （MnZn合金）44.3 金屬軟磁材料電工純鐵電工純鐵硅鋼硅鋼坡莫合金坡莫合金其它軟磁合金其它軟磁合金鐵鋁合金 鐵硅鋁合金 鐵鈷合金 54.3.1電工純鐵指純度在指純度在99.8以上的鐵以上的鐵 是最早，最常用的

3、純金屬軟磁材料是最早，最常用的純金屬軟磁材料 面心立方面心立方 體心立方體心立方升溫、加壓升溫、加壓降溫、降壓降溫、降壓6結(jié)構(gòu)與磁性的變化相結(jié)構(gòu)隨溫度和壓力變化相結(jié)構(gòu)隨溫度和壓力變化結(jié)構(gòu)和磁性隨溫度變化結(jié)構(gòu)和磁性隨溫度變化相結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致磁性變化相結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致磁性變化7Fe-C相圖Fe3Cd-d-Feg-g-Fea-a-FeL012345671600140012001000800600400T/ c/%Fe8含碳量影響磁性能 c增加（增加（）主要是因?yàn)樘紝?duì)疇壁移主要是因?yàn)樘紝?duì)疇壁移動(dòng)形成阻礙作用動(dòng)形成阻礙作用 Cu、Mn、Si、N、O、S等也等也會(huì)對(duì)軟磁性能產(chǎn)生不利影響會(huì)對(duì)軟磁性能產(chǎn)生不利影

4、響 max減少（減少（）Hc上升（上升（）9電工純鐵的主要用途磁鐵的鐵芯和磁極磁鐵的鐵芯和磁極繼電器的磁路和各種零件繼電器的磁路和各種零件感應(yīng)式和電磁式測(cè)量?jī)x表的各種零件感應(yīng)式和電磁式測(cè)量?jī)x表的各種零件揚(yáng)聲器的磁路揚(yáng)聲器的磁路電話中的振動(dòng)膜電話中的振動(dòng)膜電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極冶金原料冶金原料電工用純鐵主要用于制造：電工用純鐵主要用于制造：104.3.2 硅鋼電工純鐵只能在直流磁場(chǎng)下工作，電工純鐵只能在直流磁場(chǎng)下工作，在交變磁場(chǎng)中，在交變磁場(chǎng)中，渦流損耗大渦流損耗大電阻率（電阻率（），渦流損耗（），渦流損耗（）硅鋼也稱硅鋼也稱硅鋼片硅鋼片或或電工鋼片電工鋼片 碳

5、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) c c在在0.020.02以下，以下，硅硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為為1.51.54.54.5的的FeFe合金合金 在純鐵中加入硅，形成固溶體，這樣在純鐵中加入硅，形成固溶體，這樣11硅鋼的性能60Hz，B=1T,厚度為厚度為0.35mm12冷軋無取向硅鋼片13評(píng)價(jià)和用途添加適量硅，添加適量硅，K K（）， s s（），鐵損（鐵損（）因此是非常優(yōu)秀的軟磁材料和交流電器的理想材料因此是非常優(yōu)秀的軟磁材料和交流電器的理想材料主要用于：主要用于：扼流圈扼流圈各種形式的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器各種形式的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器電磁機(jī)構(gòu)電磁機(jī)構(gòu)繼電器繼電器測(cè)量?jī)x表測(cè)量?jī)x表已經(jīng)成為用量最大

6、的磁性材料已經(jīng)成為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是指是指鎳鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3090的鎳鐵合金的鎳鐵合金 坡莫合金具有很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬坡莫合金具有很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬而且磁性能可以通過改變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)而且磁性能可以通過改變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)坡莫合金中含有坡莫合金中含有Ni，因此，因此 磁學(xué)特性優(yōu)于硅鋼磁學(xué)特性優(yōu)于硅鋼 價(jià)格貴于硅鋼價(jià)格貴于硅鋼15合金成分與磁學(xué)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為為75%83%的范圍內(nèi)，具有最佳的綜合軟磁性能：的范圍內(nèi)，具有最佳

7、的綜合軟磁性能： Ni在在81附近，磁致伸縮系數(shù)附近，磁致伸縮系數(shù) s0 Ni在在76附近，磁各向異性常數(shù)附近，磁各向異性常數(shù)K0 但是，但是，飽和磁通密度較低飽和磁通密度較低，Ni又是又是高價(jià)高價(jià)金屬材料金屬材料所以通常采用所以通常采用 Ni為為4050的坡莫合金的坡莫合金通過退火除雜后，具有高磁通，較高磁導(dǎo)率通過退火除雜后，具有高磁通，較高磁導(dǎo)率可以滿足實(shí)用要求可以滿足實(shí)用要求 17坡莫合金的用途高磁導(dǎo)率的鐵芯材料高磁導(dǎo)率的鐵芯材料磁屏蔽材料磁屏蔽材料恒磁導(dǎo)率脈沖變壓器恒磁導(dǎo)率脈沖變壓器各種矩磁合金各種矩磁合金熱磁合金熱磁合金磁致伸縮合金磁致伸縮合金坡莫合金主要用于：坡莫合金主要用于：18

8、4.3.4其他軟磁合金鐵鋁合金鐵鋁合金 鐵鋁合金是以鐵和鋁為主要成分的軟磁材料鐵鋁合金是以鐵和鋁為主要成分的軟磁材料 通過通過調(diào)解鋁的含量調(diào)解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料： 高的磁導(dǎo)率 高的電阻率 高的飽和磁致伸縮系數(shù) 高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性 鐵鋁合金鐵鋁合金價(jià)格低廉價(jià)格低廉，常作為鐵鎳合金的替代品。其主要，常作為鐵鎳合金的替代品。其主要用于磁屏蔽，小功率變壓器，繼電器，微電機(jī)，訊號(hào)放用于磁屏蔽，小功率變壓器，繼電器，微電機(jī)，訊號(hào)放大鐵芯，超聲波換能器元件，磁頭等大鐵芯，超聲波換能器元件，磁頭等19鐵硅鋁合金又稱仙臺(tái)斯特合金，是又稱仙臺(tái)斯特合金，是1

9、9321932年在日本仙臺(tái)被開發(fā)出來的年在日本仙臺(tái)被開發(fā)出來的成分為成分為Fe-9.6Si-5.4Al在該成分時(shí)，合金的磁致伸縮系數(shù)在該成分時(shí)，合金的磁致伸縮系數(shù) s s和磁各向異性常數(shù)和磁各向異性常數(shù)K K1 1幾乎同時(shí)趨于零，并且具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力。幾乎同時(shí)趨于零，并且具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力。同時(shí)，不需要高價(jià)的同時(shí)，不需要高價(jià)的CoCo和和NiNi，而且電阻率高、耐磨性好，而且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料材料比較理想。所以作為磁頭磁芯材料材料比較理想。 20鐵鈷合金鐵鈷合金具有鐵鈷合金具有高的飽和磁化強(qiáng)度高的飽和磁化強(qiáng)度，在，在 Co為為35時(shí)，時(shí)，最大飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到最大

10、飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到2.45T。在在 Co為為50左右的鐵鈷合金，具有高的飽和磁化強(qiáng)左右的鐵鈷合金，具有高的飽和磁化強(qiáng)度，高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。度，高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料以及電話受話器的振動(dòng)膜片等。空發(fā)電機(jī)定子材料以及電話受話器的振動(dòng)膜片等。此外，由于鐵鈷合金具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，此外，由于鐵鈷合金具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，也是一種很好的磁致伸縮合金。也是一種很好的磁致伸縮合金。214.4 鐵氧體軟磁材料軟磁鐵氧體最早由軟磁鐵氧體最早由Snock于于1935年研制成功的年研制

11、成功的這類材料具有窄而長(zhǎng)的磁滯回線，矯頑力這類材料具有窄而長(zhǎng)的磁滯回線，矯頑力HC小，既容易小，既容易獲得磁性，也容易失去磁性。獲得磁性，也容易失去磁性。軟磁鐵氧體的磁性來源于軟磁鐵氧體的磁性來源于亞鐵磁性亞鐵磁性，故飽和磁化強(qiáng)度，故飽和磁化強(qiáng)度MS較金屬低，但比金屬軟磁的電阻率較金屬低，但比金屬軟磁的電阻率 要高得多，因此具有要高得多，因此具有良好的良好的高頻特性高頻特性。在弱電高頻技術(shù)領(lǐng)域，軟磁鐵氧體具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣在弱電高頻技術(shù)領(lǐng)域，軟磁鐵氧體具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于有線通訊、無線通訊、廣播、電視、航天技泛地應(yīng)用于有線通訊、無線通訊、廣播、電視、航天技術(shù)及其它電子科技中用作電感元件

12、和變壓器等。術(shù)及其它電子科技中用作電感元件和變壓器等。其應(yīng)用頻率從幾百赫的音頻范圍到千兆赫的微波頻段。其應(yīng)用頻率從幾百赫的音頻范圍到千兆赫的微波頻段。發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的一類鐵氧體材料發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的一類鐵氧體材料 22軟磁鐵氧體材料類別軟磁鐵氧體材料主要包括軟磁鐵氧體材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石等尖晶石型鐵氧體以及型鐵氧體以及Co2Y，Co2Z等平面六角型鐵氧體等平面六角型鐵氧體 。在在1MHz頻率下，頻率下，錳鋅鐵氧體錳鋅鐵氧體應(yīng)用極廣。其磁滯損耗低，應(yīng)用極廣。其磁滯損耗低，在相同高磁導(dǎo)率的情況下居里溫度較在相同高磁導(dǎo)率的情況下居里溫度較NiZn高，起始磁導(dǎo)率高，起

13、始磁導(dǎo)率 i高，且價(jià)格低廉。高，且價(jià)格低廉。 在在1100MHz范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，鎳鋅鐵氧體鎳鋅鐵氧體應(yīng)用最廣。因?yàn)閼?yīng)用最廣。因?yàn)镹i2+不不易變價(jià)，電阻率高，適用于作高頻軟磁材料，且頻帶寬。易變價(jià)，電阻率高，適用于作高頻軟磁材料，且頻帶寬。由于鎳的價(jià)格較高，在頻率低于由于鎳的價(jià)格較高，在頻率低于30MHz的情況下，可以的情況下，可以用價(jià)格便宜的用價(jià)格便宜的鎂鋅鐵氧體鎂鋅鐵氧體來代替，只是性能稍差一些。來代替，只是性能稍差一些。23軟磁鐵氧體主要應(yīng)用方向由于晶體結(jié)構(gòu)的限制，立方晶系鐵氧體的使用頻由于晶體結(jié)構(gòu)的限制，立方晶系鐵氧體的使用頻率大體上僅能在數(shù)百兆赫之下。率大體上僅能在數(shù)百兆赫之下。幾百

14、兆赫幾百兆赫到到數(shù)千兆赫數(shù)千兆赫的高頻軟磁材料基本上是以的高頻軟磁材料基本上是以平面型六角晶系平面型六角晶系鐵氧體為主鐵氧體為主 現(xiàn)代軟磁鐵氧體材料發(fā)展的主要方向現(xiàn)代軟磁鐵氧體材料發(fā)展的主要方向 ：高磁導(dǎo)率高磁導(dǎo)率材料，材料， i104，用于寬頻帶變壓器、低頻變，用于寬頻帶變壓器、低頻變壓器、小型環(huán)形脈沖變壓器和微型電感器等。壓器、小型環(huán)形脈沖變壓器和微型電感器等。 高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低功耗材料（又稱高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低功耗材料（又稱功率鐵氧體功率鐵氧體）。）。用于開關(guān)電源、電視機(jī)偏轉(zhuǎn)磁芯及用于開關(guān)電源、電視機(jī)偏轉(zhuǎn)磁芯及U型磁芯型磁芯 244.5 非晶及納米晶軟磁材料晶態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)DE1AEnC

15、E2B晶態(tài)與非晶的原子排布晶態(tài)與非晶的原子排布晶態(tài)與非晶的能壘模型晶態(tài)與非晶的能壘模型254.5.1非晶態(tài)軟磁材料作為磁性材料，磁導(dǎo)率高，矯頑力低。作為磁性材料，磁導(dǎo)率高，矯頑力低。原子排布為長(zhǎng)程無序、短程有序；原子排布為長(zhǎng)程無序、短程有序；不存在位錯(cuò)及晶粒邊界；不存在位錯(cuò)及晶粒邊界；加熱具有結(jié)晶化傾向；加熱具有結(jié)晶化傾向；電阻率比晶態(tài)材料高；電阻率比晶態(tài)材料高；機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高；機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高；電阻率高，渦流損耗小。電阻率高，渦流損耗小。所以，非晶態(tài)材料擁有優(yōu)良的綜合軟磁性能所以，非晶態(tài)材料擁有優(yōu)良的綜合軟磁性能非晶態(tài)材料的特征：非晶態(tài)材料的特征：26典型的非晶態(tài)磁性材料其中其

16、中T為為Fe，Co；R為為Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（等（光磁記錄材料光磁記錄材料）。）。 3d過渡金屬（T）非金屬系。其中其中T T為為FeFe，CoCo，NiNi等；非金屬為等；非金屬為B B，C C，SiSi，P P等。例如等。例如Co-Fe-B-SiCo-Fe-B-Si非晶薄帶（音頻磁頭等），非晶薄帶（音頻磁頭等），F(xiàn)e-SiFe-Si（磁芯材（磁芯材料），料），F(xiàn)eFe7878SiSi1010B B1212（高磁致伸縮材料高磁致伸縮材料）。）。 3d過渡金屬（T）金屬系。其中其中T為為Fe，Co，Ni等；金屬為等；金屬為Ti，Zr，Nb，T

17、a等。例等。例如，如，Co-Nb-Zr系濺射薄膜，系濺射薄膜，Co-Ta-Zr系濺射薄膜（系濺射薄膜（VTR磁頭，薄膜磁頭磁頭，薄膜磁頭）。）。 過渡金屬（T）稀土類金屬（R）系。27非晶態(tài)材料的制備方法氣體液體非晶體晶體高能粒子注入（平衡）（獲得非晶態(tài)的途徑用空心箭頭標(biāo)出）非晶材料的制備方法非晶材料的制備方法氣相沉積；氣相沉積；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備方法通常有：28非晶軟磁材料的應(yīng)用 鐵基非晶帶的損耗僅為硅鋼的鐵基非晶帶的損耗僅為硅鋼的1/3，在電力工業(yè)中應(yīng)，在電力工業(yè)中應(yīng)用可以顯著地降低損耗，但由于用可以顯著地降低損耗，但由于成本較高成本較高，目前尚難，目

18、前尚難以大量取代傳統(tǒng)的材料以大量取代傳統(tǒng)的材料現(xiàn)在在下列方面獲得應(yīng)用：現(xiàn)在在下列方面獲得應(yīng)用：高功率脈沖變壓器高功率脈沖變壓器航空變壓器航空變壓器開關(guān)電源開關(guān)電源29環(huán)型非晶電感線圈304.5.2納米晶軟磁材料1988年年，Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過晶化處等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過晶化處理開發(fā)出納米晶軟磁合金（理開發(fā)出納米晶軟磁合金（Finemet）。）。此類合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的此類合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感高磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度和鈷基非晶合金的和鈷基非晶合金的高磁導(dǎo)率高磁導(dǎo)率、低損耗低損耗，并且是成，并且是成本本低廉低廉的鐵基材料。的鐵基材料。鐵

19、基納米晶合金的發(fā)明是軟磁材料的一個(gè)鐵基納米晶合金的發(fā)明是軟磁材料的一個(gè)突破性進(jìn)展突破性進(jìn)展。目前已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)研究的系統(tǒng)有目前已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)研究的系統(tǒng)有Fe-Cu-M-Si-B（M為為Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、等）、Fe-M-C和和Fe-M-V（M為為Ta等耐熱金屬）系等納米晶軟磁材料。等耐熱金屬）系等納米晶軟磁材料。 31晶粒尺寸與矯頑力的關(guān)系納米晶軟磁發(fā)明之后，才全面認(rèn)識(shí)到晶粒尺寸與矯頑力的關(guān)系32納米晶與鐵氧體、非晶性能對(duì)比FinemetFT-1KMMnZn鐵氧體Co基非晶Fe基非晶10kHz500005300900004500100kHz1600030%530018

20、0004500飽和磁通密度BST1.350.440.531.56矯頑力HCA/m1.38.00.325.0矩磁比（Br/BS）0.600.230.500.65磁芯損耗PCkW/m335012003002200居里溫度TC570150180415飽和磁致伸縮常數(shù)S10-6+2.30+27電阻率m1.110-60.201.310-61.410-6密度dSMg/m37.44.857.77.1833各類軟磁材料性能比較Co基非晶合金納米微晶Fe-M-B基合金Mn-Zn鐵氧體Fe基非晶合金硅鋼納米微晶Fe-Si-B-Nb-Cu合金5020105210.50.20.11040.501.51.02.03.02.5iBS（T）坡莫合金34納米晶軟磁的制備和應(yīng)用制備納米晶軟磁材料的主要方法是制備納米晶軟磁材料的主要方法是非晶晶化法：非晶晶化法：先利用溶體急冷法（