常用软磁材料简介

常用软磁材料性能特点及应用范围见表18-1。

表18-1 软磁材料性能特点及应用范围

1.工业纯铁

工业纯铁是一种碳质量分数极低的软钢，其碳的质量分数在0.03%～0.04%，Si、Mn、S、P含量也极低，是直流电技术中主要磁性材料之一。工业纯铁有较小的矫顽力H_c，高的磁饱和值B_s，但它的电阻率较低，在交流反复磁化时，造成相当大的涡流损耗，故不适于交流场合中应用。

工业纯铁的磁饱和值B_s为2.158T，矫顽力H_c为40～20A/m，退火状态的起始磁导率μ₀为0.000625H/m，最大磁导率μ_max为0.0075H/m。

纯铁的磁性与纯度关系很大，杂质造成点阵畸变，阻碍磁化过程进行，增加矫顽力，加大磁滞损耗。碳在软磁材料中是有害杂质之一，使磁性能恶化。存在于固溶体中的碳影响很大，游离渗碳体次之，如以石墨碳形式存在影响最小。平炉冶炼工业纯铁时，用氧化渣除去碳、硅、锰，再用还原渣除去硫、磷，对氮、氢等元素亦应控制在较低范围内。

为改进磁铁的磁性能，可采用羟基铁粉（是一种化学提纯方法制造的铁粉，即一氧化碳和铁化合成碳酸铁Fe₂（CO）₃，再凝聚、分解成纯铁细粉）压制、烧结成零件。羟基铁粉含碳及其他杂质少，故其矫顽力低，H_c为6～7A/m、μ_max为0.0025H/m，但羟基铁粉成本高，不如工业纯铁应用广。

纯铁的最终热处理是退火。在较低温度退火时（800℃左右），变形产生的点阵缺陷消失，恢复原始状态，应力消除，将使磁性能提高。如采用较高温度退火（1000℃左右），纯铁的晶粒长大，晶界边缘阻碍磁化，粗晶粒晶界减少，将使阻碍减少，μ值及B_s增大。退火若在氧气中进行，将增加材料的纯度，退火时，表面夹杂与氢作用而消除，中心夹杂将向表面扩散，与氢继续作用除去，温度高时，则将促使杂质扩散。因此，高温退火将获得杂质少的粗晶粒纯铁，高温氢气退火后，碳降至0.0012%（质量分数）、Mn降至0.028%（质量分数）。

纯铁采用以下工艺规范退火：随炉升温至800℃，再以50℃/h速度升温至860℃～930℃，保温4h，以小于50℃/h速度冷至700℃，再炉冷至500℃以下出炉。

电磁纯铁的牌号、主要成分和用途见表18-2。电磁纯铁的磁性能见表18-3。

表18-2 电磁纯铁的牌号、主要成分和用途

（续）

表18-3 电磁纯铁的磁性能

注：B200、B300、B500、…、B10000分别表示磁场强度为200A/m、300A/m、500A/m、…、10000A/m时的磁感应强度。

2.Fe-Si合金（硅钢）

硅钢是用量最大的软磁材料，占软磁材料用量的90%～95%。常用硅钢的牌号、硅含量见表18-4。

表18-4 硅钢的分类牌号、硅含量

注：冷轧单取向硅钢片w（Si）=2.90%～3.10%。

表18-4中D表示电工用钢，第一位数字表示平均含硅量，第二位数表示在同样硅含量下磁性能的差别，数字大则铁损减少，而磁感应强度增加，即磁性能提高。硅钢片分热轧和冷轧两大类，而冷轧硅钢片又有晶粒取向和晶粒无取向之分，分别用Q和W代表。DR表示电工用热轧硅钢片。

硅钢在一定频率和磁感应强度下具有比电磁铁大的磁导率、电阻率和高的磁感应强度，同时具有良好的冲压工艺性。硅钢片的磁性能与以下因素有关：

（1）硅钢含量的影响 常用硅钢w（Si）≤4.5%。当w（Si）=4.5%时，μ_max达最大值，H_c最小，微观各向异性和磁滞伸缩趋向于零。但w（Si）增加至4.5%以上，合金塑性下降，很难加工成薄片，含硅量增加，磁饱和强度也下降。0.3mm硅钢硅含量和磁性能的关系曲线见图18-3，不同温度下硅含量和热轧硅钢抗拉强度和伸长率的关系见图18-4，各种硅含量硅钢的磁化曲线见图18-5。

图18-3 0.3mm硅钢硅含量和磁性能的关系曲线（1200℃于氢气炉退火2h）

注：1.1G/Oe=1.25×10^-6H/m

2.p₁₀/50表示频率为50Hz，磁感应强度为10Wb/m²时的铁损。

有杂质时硅钢的磁性能影响很大，尤其是碳危害严重，碳在溶解状态使磁滞损失直线上升，目前硅钢中碳的质量分数控制在＜0.01%，硫的质量分数控制在<0.04%。

（2）晶粒取向（织构）对磁性能的影响 为了进一步提高硅钢片的磁性能，可使硅钢片的多晶面发生晶粒取向，即晶粒的某一晶面平行于轧面，某一晶向平行于轧向，这样整个多晶体在磁性能上接近于单晶体，呈现磁各向异性。目前多采用冷轧-退火的方法来获得晶粒取向（织构）。

图18-4 不同温度下硅含量热轧硅钢抗拉强度和伸长率的关系

图18-5 不同硅含量硅钢的磁化曲线（图中百分数为硅的含量分数）

冷轧硅钢片的硅含量w（Si）=2.9%～3.3%，冷轧后，经一定热处理，晶粒的棱边[100]、晶向和对角面（100）晶面平行于轧面，如图18-6所示。这样的晶粒取向又称戈斯织构。戈斯织构硅钢片与轧向呈不同位向取样，则显示不同的磁化曲线（见图18-7），沿轧向磁化性能良好。其他磁性能也呈同样规律，如铁损p₁₀，平行于轧向时为0.88W/kg，垂直于轧向时为1.55W/kg。在磁场强度为300A/m时的磁感应强度在平行于轧向时为1.5T。因此，戈斯织构硅钢片在使用时有方向性。戈斯织构硅钢片的磁滞损耗极低，硅含量3%（质量分数）的硅钢片在p₁₀/50条件下工作，轧向损耗下降到0.4W/kg，而热轧硅钢片为1.0W/kg。

图18-6 戈斯织构硅钢片示意图

图18-7 戈斯织构硅钢片与轧向呈不同位向时的磁化曲线

冷轧单向硅钢片的轧制-热处理工艺流程（戈斯法）如下：

热轧至2.5mm，再冷轧至1.3mm（压下率约50%），于870℃中间退火，再冷压至0.6mm（压下率约54%），于810～890℃中间退火，再冷压至0.3mm（压下率约50%），于1100～1150℃长时间最后退火。戈斯织构是在冷轧-退火时，经二次再结晶获得的，在890℃的较低温度进行一次再结晶，在1100℃的高温进行二次再结晶，在二次再结晶时，必须抑制一次再结晶晶粒晶界的任意移动长大，只允许少数晶粒择优长大，长大的晶粒得到织构组织，并取得粗大晶粒。为了获得完善晶粒取向，一次再结晶向上次再结晶过渡，要求尽可能的缓慢。MnS在高温下能形成良好的戈斯织构，MnS又能分解为Mn和S，Mn能溶解于铁，S则与氢发生反应形成气体挥发。可运用高纯氢去硫，但成本太高。

（3）硅钢片厚度的影响 同一类硅钢片，其厚度越大，涡流损耗越高。硅钢片一般厚度为0.35mm，主要用于电动机和变压器中。在电信工业中，因使用频率高，涡流损耗大，通常采用厚度为0.05～0.20mm的硅钢片。

电动机及电力变压器中常用硅钢片的磁性能见表18-5。

表18-5 电动机及电力变压器中常用硅钢片的磁性能(www.xing528.com)

① B₁₀、B₂₅、B₅₀、B₁₀₀表示当磁场强度（A·匝/cm）等于字母后相应数值（10、25、50、100）时基本取向磁化曲线上的磁感应（高斯）。

② 1G=10^-4T。

3.铁镍合金

电信技术领域对磁铁材料提出了特殊的要求，希望在弱磁场下能产生高的磁感应强度。铁镍合金与其他软磁材料比较，在低磁场下有高的磁导率和低的矫顽力，能满足电信技术用料要求。铁镍合金通常又称为坡莫合金。

铁镍合金的种类、成分、特性和主要用途见表18-6。ⅠJ50、ⅠJ51是二元铁镍合金；ⅠJ79、ⅠJ85是三元铁镍合金。

表18-6 铁镍合金的种类、成分、特性和主要用途

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铁镍合金的磁性能主要与以下因素有关：

（1）成分的影响 常用铁镍合金的w（Ni）=34%～81%，若Ni量变化，起始磁导率μ₀将发生变化，w（Ni）=80%左右的铁镍合金其μ₀呈极大值，如图18-8所示。

饱和磁感应强度与温度和镍含量的关系如图18-9所示，当t上升，则B_s下降，降至各种材料居里点，呈顺磁性。材料镍含量也影响B_s值，w（Ni）增加，B_s下降。

在铁磁合金中加入铬和钼，能提高材料的电阻率，减少涡流损失，提高μ₀值。w（Ni）=3.8%的ⅠJ79铁镍合金，应用于弱信号的变压器上，称为钼坡莫合金。在铁钼合金中加入w（Mo）=5%和w（Mn）=0.5%，即为超坡莫合金，如ⅠJ85。

（2）铁镍合金热处理 铁镍合金的磁性能如磁导率、矫顽力等对热处理有高度的敏感性，如图18-8所示，炉冷与两次处理的μ₀值为2.5×10^-3H/m，两次处理μ₀值为11.25×10^-3H/m。

图18-8 铁镍合金μ₀与镍含量和不同热处理的关系

图18-9 铁镍合金磁饱和强度B_s与温度和镍含量的关系

两次处理的热处理工艺为：900～950℃加热1h，在保护气氛中以＜100℃/h冷速冷却；然后再加热至600℃，并在空气中快速冷却至室温。两次处理又称“坡莫合金典型处理”或“空气淬冷”。

炉冷的热处理工艺为：900～950℃加热1h，以＜100℃/h冷速冷却。铁镍合金的晶粒虽经上述方法处理，仍很细小，只有经过95%以上的压延率和1100℃以上高温退火，才发生二次再结晶，形成粗晶粒。铁镍合金的热处理工艺见表18-7。

表18-7 铁镍合金的热处理工艺规范

材料经机械加工和冷变形后，内应力增加，磁性能恶化，须进行高温退火消除。高温退火的目的为：①消除内应力；②获得均匀的再结晶组织。

对于软磁合金希望得到粗大的晶粒，但对具有织构的软磁合金，为避免织构破环，不宜采用高温。高温退火最好在氢气或真空炉中进行。在纯氢气中退火，能去除杂质达到净化目的。高温退火时，升温速度要求不高；但冷速对磁性能影响较大，冷速太大，热应力大，则磁性能下降。

（3）铁镍合金的织构 w（Ni）=50%的铁镍合金（1J51），属于面心立方晶系，通过适当的冷轧和热处理，形成立方织构。立方织构和戈斯织构不同，立方织构是（100）平行于轧面，[100]平行于轧向，见图18-10。戈斯织构沿轧向有良好的磁性能，但垂直于轧向为磁化方向，磁感应值低。立方织构沿轧向和横向均为磁的择优方向（双取向织构）。立方织构的织构度比戈斯织构的要大得多，即沿轧向上的晶粒取向要理想得多，因此，具有织构的Fe-Ni合金初磁化曲线，要比具有织构的Fe-Si合金陡得多，即矩形性强，如图18-11所示。磁放大器的铁心就要求软磁材料有矩形磁滞回线。

w（Ni）=50%的铁镍合金，获得立方织构的工艺为：大的压下量（一般为95%以上），然后在氢或真空中1050～1100℃加热，再以100～200℃/h冷却至300℃出炉，获得粗晶粒的立方织构。

图18-10 立方织构示意图

图18-11 晶粒取向对Fe-Si合金磁化曲线的影响

（4）磁场处理 铁镍合金先进行高温退火，然后再加热至居里点以上温度，再在磁场中冷却，称为磁场处理。w（Ni）=65%的二元铁镍合金和w（Ni）=50%铁镍合金，经磁场处理后也呈现矩形磁滞曲线，见图18-12。磁场冷却对Fe-Si合金最大磁导率的影响见图18-13。w（Ni）=70%左右的合金磁场处理效果最好；w（Ni）=50%合金磁场处理效果较低；w（Ni）=78%、w（Ni）=80%合金磁场处理效果消失，故w（Ni）>79%的铁镍合金不进行磁场处理。

图18-12 各种条件下的Fe-Si合金磁滞曲线

a）w（Ni）=50%具有立体织构的合金 b）w（Ni）=50%采用磁场冷却的合金 c）w（Ni）=64.5%采用磁场冷却的合金

图18-13 磁场冷却对Fe-Ni合金最大磁导率的影响

ⅠJ66铁镍合金采用以下磁场处理工艺：在氢气保护下，加热至650℃（该合金的居里点约为600℃），保温1h，加1600A/m的磁场，以50～100℃/h冷速冷却至200℃出炉。

各种铁镍合金直流磁性和交流磁性见表18-8、表18-9。

表18-8 铁镍合金直流磁性

表18-9 常用铁镍合金在不同频率下的交流磁性（冷轧带材）

（续）