1 金屬磁性的物理基礎(chǔ)
1.1 物質(zhì)磁性分類
一切物質(zhì)，無論處于什么狀態(tài)和條件下，都顯示一定的磁性。磁性來源于物質(zhì)的原子磁矩，而主要是原子的電子自旋磁矩。在外磁場中，物質(zhì)的原子磁矩或電子磁矩受到作用而變化，因而單位體積的磁矩即磁化強度發(fā)生變化。一般，物質(zhì)的磁化強度M與外磁場強度H成正比：M=xH,比例常數(shù) x 稱為磁化率，是反映物質(zhì)磁化本性的一種磁參量或磁性能。根據(jù)磁化率或磁化曲線（圖1)。
▲圖1 物質(zhì)的磁化曲線示意圖
①抗磁體，磁化率為負（x<0),絕對值很小（10E-6~10E-4），且與外磁場和溫度無關(guān)，磁化曲線為直線（曲線1)。磁化時，物質(zhì)的內(nèi)部產(chǎn)生與外磁場H方向相反的微弱附加磁場H',與外磁場相斥，而使通過的磁力線減少，磁場減弱。非金屬硅、磷、硫和金屬銅、銀、鎘、汞等，都是典型的抗磁性物質(zhì)。②順磁體，磁化率為正（x>0)，數(shù)值也很小（10E-5~10E-2)，也與外磁場無關(guān)，但與溫度有強烈的關(guān)系，磁化曲線亦為直線（曲線2)。磁化時物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一與外磁場H方向一致的附加磁場H',與外磁場相吸，使磁場增大。但由于在常溫下磁化很困難，磁場不會有明顯的增大。稀土金屬、堿金屬和某些過渡金屬（鈦、釩、鉬等）就是強烈的順磁性物質(zhì)。③鐵磁體，磁化率很高（x=10~10E6)，在弱磁場中即容易被磁化，獲得很高的磁化強度，并很快達到磁飽和。磁化強度與外磁場呈非線性關(guān)系（曲線3)，但隨溫度的升高而逐漸減小，到居里溫度T.時鐵磁性消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w。金屬鐵、鈷、鎳是最典型的鐵磁性物質(zhì)，它們在居里溫度T.(相應(yīng)為770℃、1131℃和358℃)以下，為磁性很強的鐵磁體。④亞鐵磁體，與鐵磁體基本相似（曲線4)，但磁化率和飽和磁化強度較低些，是原子磁矩未完全抵消而有凈磁矩的磁體。鐵氧體（由以Fe2O3為主要成分、與另一種或多種金屬氧化物組成的復(fù)合氧化物），為目前應(yīng)用最廣泛的亞鐵磁性材料。⑤反鐵磁體，磁化率非常小（曲線5),一般在10E-5~10E-3之間，是相鄰原子自旋磁矩反平行排列的磁體。其磁化率隨溫度的升高而增大，到奈爾溫度T、時達極大值，而后轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴＝饘巽t、α-錳、氧化錳、氧化鎳以及過渡金屬的離子化合物等，是常見的反鐵磁性物質(zhì)。
抗磁體和順磁體以及反鐵磁體皆屬于弱磁性物質(zhì)，也常被稱為非磁性物質(zhì)，在一般的磁性材料中較少有實際應(yīng)用。但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，它們在一些特殊器件中，例如在微波高頻條件下，有很好的應(yīng)用前景。鐵磁體和亞鐵磁體屬于強磁性物質(zhì)，是各種工業(yè)中應(yīng)用最廣的磁性材料，其中以鐵、鈷、鎳為基的合金為最重要的和最主要的磁性合金。根據(jù)磁特性和應(yīng)用特點，強磁性合金通常分為軟磁合金和永磁（或硬磁）合金兩大類。
鐵磁物質(zhì)在磁場中磁化時，隨外磁場強度H值的增大，材料的磁感應(yīng)強度B值很快增大，當磁場達到Hs 值時，磁感應(yīng)即達到飽和值Bs，磁化曲線如圖2中的OaS線所示。磁場H值接近于0時的磁化曲線的斜率（B/H)H=0稱為初始磁導(dǎo)率μi；過原點的磁化曲線的外切線的斜率為最大磁導(dǎo)率μm；它們反映材料磁化的難易程度，數(shù)值越大，則對于高導(dǎo)磁率材料的性能越有利。進行退磁時，磁場強度從Hs 減小，磁感應(yīng)強度也隨之從Bs 減小，但不按磁化曲線OaS回復(fù)，而沿較其更平緩的曲線減小。退磁曲線與磁化曲線的不重合，表明磁化的不可逆性。當磁場強度減小到0時，磁感應(yīng)強度不降低到0，而還剩余一定的值Br。磁感應(yīng)強度B的減小滯后于磁場強度H減小的現(xiàn)象稱為磁滯。為了使B減小到0，必須施加反向磁場-H,在其強度增大到－Hc 時，B=0。如果繼續(xù)增大反向磁場，則磁體開始在反方向上磁化。－H增大，－B也增大，在－Hs時反向磁化達到飽和，B=-Bs。此時，若減小反向磁場，則與上述過程相似，－B不斷減小，而在H=0時，B=-Br；為了使其降低至0，必須再施加正向磁場到He。H繼續(xù)增大到Hs，材料再次達到磁飽和，B=Bs，所以，隨H由＋Hs→0→-Hs→0→+Hs，B則由＋Bs→Br→0→-Bs→-Br→0→+Bs，形成一個對稱于原點的回線。此回線即為鐵磁材料的飽和磁滯回線，如圖2 所示。
▲圖2 鐵磁物質(zhì)的磁滯回線
由磁滯回線可以確定材料的一些重要磁學(xué)性能。Br為剩磁感應(yīng)強度，也簡稱剩磁，表示鐵磁體磁化到飽和后，去除外磁場時的感應(yīng)強度；He(或HCB)為矯頑力，表示鐵磁體磁飽和后，為了使剩磁消失所需施加的反向磁場強度，它反映鐵磁體顯示磁性的頑強性。在回線的第二象限的退磁曲線上，有一個B和H乘積最大的點，
這個點的（BH)m叫做最大磁能積，是衡量材料內(nèi)部能夠貯存能量大小的尺度。磁滯回線所包圍的面積，表示單位體積材料磁化一個周期的能量損耗，叫做磁滯損耗。
鐵磁體在反復(fù)進行飽和磁化和退磁時，H和B皆按飽和磁滯回線變化，OaS曲線只在完全退磁狀態(tài)（H,B=0)磁化時出現(xiàn)，所以叫做起始磁化曲線。在磁化未達飽和時，如從起始磁化曲線上任一點進行退磁，則磁場經(jīng)由H→0→-H→0→H，B的變化皆形成小磁滯回線（見圖2中的aba'ca小回線）。小回線頂點的Bm叫做最大磁感應(yīng)強度，小回線頂點的連線即構(gòu)成起始磁化曲線。欲使鐵磁體徹底退磁，必須施加不斷降低幅度的周期性磁場。按照磁滯回線的形狀（見圖2)和基本磁特性，磁性合金大體上分為兩大類：矯頑力He 大、磁滯回線寬的硬磁合金和矯頑力He小、磁滯回線窄的軟磁合金。
▲圖3 硬磁和軟磁合金的磁滯回線
1.3 磁疇
理論和實驗證明，鐵磁體是由大量的微小磁區(qū)組成的，如圖4所示。
▲圖4 鐵磁合金磁疇示意圖
這些磁區(qū)叫做磁疇，體積約為10E-6mm3含有約10E15個原子；寬度為0.01-0.1mm，原子有10萬個以上。每個磁疇內(nèi)原子的磁矩平行排列，皆有一個永久磁矩。磁疇和磁疇的邊界叫做疇壁。疇壁的厚度約0.1μm，有約1000個原子層，其取向為從一個磁疇磁化方向逐步向另一磁疇磁化方向的過渡，如圖5所示。
▲圖5 鐵磁體磁疇壁結(jié)構(gòu)示意圖
鐵磁體的每個磁疇都是自發(fā)磁化到飽和的小磁鐵。過渡族元素如鐵、鈷、鎳等的3d層都沒有填滿電子，相應(yīng)有4, 3, 2個電子自旋磁矩未被抵消，因此產(chǎn)生原子磁矩。另外，當原子相互接近時，它們的電子發(fā)生相互交換，若自旋反向平行排列比同向平行排列的能量高，即交換能為正值時，未被抵消的電子自旋磁矩將自發(fā)地排向同一方向，發(fā)生自發(fā)磁化，形成磁疇，如圖6所示。
交換能的正負決定于原子間距離和未填滿殼層的直徑。計算表明，只有在原子間距a和3d層半徑r的比值大于3時，交換能才為正值（鐵、鈷、鎳的交換能均為較大的正值）。因此，原子存在未抵消的電子自旋磁矩和電子交換能為正值，是磁疇形成的必要條件和充分條件，它們同時也反映了鐵磁材料原子結(jié)構(gòu)的特點。鐵磁體在完全退磁狀態(tài)下，磁疇的磁化方向混亂分布，磁矩完全相互抵消，因而材料在宏觀上不顯示磁性。當施加外磁場時，那些磁化方向平行于外磁場的磁疇，以由原子磁矩轉(zhuǎn)動所引起的疇壁移動的方式（見圖7)，吞并反向磁疇而逐漸長大，最后使整個磁疇沿磁場方向排列。在去除外磁場后，如果磁疇的取向不能恢復(fù)
原來的狀態(tài)，則材料繼續(xù)顯示磁性，而產(chǎn)生剩磁。
▲圖7 疇壁移動示意圖
由于存在磁疇，鐵磁體在外磁場中無需依靠每個原子磁矩轉(zhuǎn)動，使方向與磁場方向一致，而可由已自發(fā)磁化到飽和的磁疇為磁化單元，借助于所產(chǎn)生的附加磁場很容易地進行磁化。此外，在居里溫度以上，由于熱騷動大，磁疇消失，磁化極困難，鐵磁體變成順磁體而不顯示磁性。
1.4 幾種磁能
磁疇除了主要決定于交換能外，它的取向和結(jié)構(gòu)還與原子間磁的相互作用有關(guān)。這種相互作用主要表現(xiàn)為以下三種磁能。
1.4.1 磁品各向異性能
由于晶體的各向異性，鐵沿［100]、鎳沿［111]、鈷沿C軸方向磁化，在最弱的磁場中也可達到磁飽和，即達到磁飽和所需的磁場能最低值。這些方向為易磁化方向。而鐵的［111]、鎳的［100]、鈷的六方底面（0001)的各方向為難磁化方向。沿不同晶向磁化的難易程度不同，即所需能量不同的現(xiàn)象叫做磁晶各向異性。沿難磁化和易磁化方向磁化的磁化功的差稱為磁晶各向異性能，其大小等于該兩晶向磁化曲線所包圍的面積。為了使磁能量最低，磁疇自發(fā)磁化趨向于易磁化方向，而鐵磁體沿易磁化方向的磁性最好。
1.4.2 磁彈性能
鐵磁體在磁場中磁化時尺寸或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮。磁化時鐵沿磁化方向伸長，鎳則沿磁化方向縮短，而一般鐵磁材料的體積變化很小。磁致伸縮和磁晶各向異性的起源相同，是由電子的自旋和軌道磁矩的耦合作用引起的。
磁致伸縮在磁體內(nèi)造成應(yīng)力，影響磁化過程的進行。沿磁場方向的拉應(yīng)力，促進磁化，使磁化所需能量減小；垂直磁場方向的拉應(yīng)力則阻礙磁化，使磁化所需能量增大。由磁致伸縮引起應(yīng)力，導(dǎo)致促進或阻礙磁化的能量，叫做磁致伸縮能，或磁彈性能。
1.4.3 靜磁能
鐵磁體與磁場的相互作用能稱為靜磁能。它包括外磁場能和退磁場能兩個方面。外磁場能是鐵磁體與外磁場的相互作用能，它使磁體（或磁疇）的磁化方向趨于磁場方向并達到磁飽和。退磁場能是鐵磁體與自身退磁場的相互作用能。開路狀態(tài)的鐵磁體磁化后，產(chǎn)生磁極，在磁體內(nèi)部形成減退外磁場作用的退磁場。退磁場能與磁體形狀和磁化強度有關(guān)，使退磁因子（取決于磁體的幾何形狀）小的方向成為易磁化方向。
2 軟磁合金的熱處理
軟磁合金主要用于制造電力和電子工業(yè)中的信息變換、傳遞和存儲元件等。對它的基本要求是：矯頑力He 小（磁滯損耗小，效率高），飽和磁感應(yīng)強度Bs高（儲能高），初始和最大磁導(dǎo)率μi、μm高（靈敏度高），以及性能的穩(wěn)定性好。軟磁合金的磁滯回線都很窄。在許多具體情況下，還要求合金具有較高的耐蝕性、耐磨性，一定的機械強度，給定的線膨脹特性等物理、化學(xué)、力學(xué)性能。軟磁合金的磁導(dǎo)率、矯頑力和磁滯損耗等是很強的組織敏感性能，對合金中的雜質(zhì)和非金屬夾雜、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)取向、晶體缺陷、內(nèi)應(yīng)力等非常敏感，而上述各項又取決于合金的成分、加工方法和熱處理制度。為了保證高的軟磁性能，必須使合金的組織盡可能地趨近于平衡狀態(tài)，獲得大晶粒，并消除各種晶體缺陷。最合適的軟磁合金是純鐵族金屬（特別是純鐵），以及鐵基或其他鐵磁金屬基的單相合金，而熱處理則主要是各種形式的退火操作。主要的軟磁合金有工業(yè)純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鋁合金以及新發(fā)展起來的非晶態(tài)合金等。
2.1 電工用純鐵
電工用純鐵有原料純鐵（DT1、DT2)、電磁純鐵（DT3、DT4、DT5、DT6)和電子管純鐵（DT7、DT8)等三種。它們的飽和磁感應(yīng)強度高，磁導(dǎo)率高，矯頑力小，但電阻率低，鐵損較大，是應(yīng)用最早、易于加工和最便宜的軟磁材料和原料。應(yīng)用最廣的為電磁純鐵，一般用于制造鐵心、磁極、銜鐵、磁屏等，它的成分、性能和應(yīng)用特點見表1。
▼表1 電磁純鐵的牌號、成分、主要性能和應(yīng)用特點
純鐵的磁性能與純度有關(guān)。純度越高，則軟磁性能越好。影響最大的有害雜質(zhì)是碳。它使磁導(dǎo)率下降，矯頑力提高，鐵損增大，磁化困難（見圖9)。
碳、氧、硅、錳等降低鐵的飽和磁感應(yīng)強度（見圖10）。
▲圖10 雜質(zhì)對純鐵飽和磁感應(yīng)強度的影響
溶解在純鐵的α相中時，間隙固溶雜質(zhì)（如碳、氮、氧）的有害作用比置換固溶雜質(zhì)（如硅、錳等）大。另外，碳、氮、氧還常以碳化物、氮化物、氧化物夾雜的形式出現(xiàn)在純鐵中。這時雜質(zhì)對磁性能的影響，不僅與雜質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)，而且還與其顆粒大小、形狀及分布有聯(lián)系。雜質(zhì)性質(zhì)和基體差別越大，數(shù)量越多，顆粒越小，彌散度越大，呈針狀或片狀均勻分布時，對純鐵磁性能的破壞作用越大。尤其當雜質(zhì)顆粒大小與疇壁厚度相當時，由于能阻礙疇壁的移動，使鐵的磁化困難，而更降低其軟磁性能。純鐵的熱處理有以下幾種：
2.1.1 人工時效
電工用純鐵在常溫或150℃以下長期使用，特別是當溫度較高時，超過溶解度的碳從α相中析出，形成細小彌散的弱磁性相Fe,C,使硬度提高，致使磁導(dǎo)率明顯下降（30%~50%),鐵損增大，矯頑力可能增大若干倍，這種現(xiàn)象叫做磁時效。氮和氧也能引起磁時效。為了避免發(fā)生磁時效，電工用純鐵在退火后，可以在130℃保溫50h后空冷，或在100℃保溫100h后爐冷，進行一次人工時效處理，使組織和性能穩(wěn)定化。
2.1.2 高溫凈化退火
為了提高電工用鐵的純度，一方面冶煉時采用強烈的脫氧劑（如用Al或Si脫氧）真空去氧，以及真空重熔等先進工藝；另一方面就是在固態(tài)下在氫氣中進行高溫凈化處理。在1200~1500℃的高溫下長時間保溫時，溶解在金屬內(nèi)部的碳、氮、氧、硫等雜質(zhì)原子擴散到表面而被清除，它們的夾雜物（Fe3C、Fe4N、FeO和FeS)也可被還原而減少。一些不與氫起作用的少數(shù)雜質(zhì)（如硅、錳、銅、鋁）則保留在固溶體內(nèi)，壞作用不大。采用高溫真空退火處理，同樣可得到凈化效果。電工用純鐵經(jīng)凈化退火以后，由于雜質(zhì)含量降低和晶粒粗化，軟磁性能大大提高，最大磁導(dǎo)率可提高一個數(shù)量級。例如，純鐵在氫氣中于1480℃保溫18h后，緩慢冷卻到880℃,再保溫12h后緩慢冷至室溫時，得到的磁導(dǎo)率μ≈25×10E-3H/m；μm=300×10E-3H/m。
2.1.3 去應(yīng)力退火
冷加工造成純鐵內(nèi)部多種晶體缺陷（位錯、層錯等），并引起內(nèi)應(yīng)力，增加磁疇壁運動的難度，使He增大，μm值降低（見圖11)。
▲圖11 冷變形對工業(yè)純鐵磁性能的影響
為了消除這些不良影響，可以進行去應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火。退火溫度對磁性能的影響如圖12所示。
▲圖12 冷加工純鐵的磁性能與退火溫度的關(guān)系
退火溫度高，晶粒粗大，于磁性能有利，所以去應(yīng)力退火一般采用不發(fā)生α-γ相變的最高溫度，避免冷卻時發(fā)生相變使晶粒細化。因此，純鐵消除冷加工應(yīng)力通常采用的再結(jié)晶退火工藝制度是：在600℃以下裝爐，隨爐升溫至800℃,再慢速加熱到830~890℃,保溫4h,然后以不大于50℃/h的冷速冷至700℃,最后隨爐冷500℃以下出爐。整個退火在氫氣或真空中進行。退火工藝曲線如圖13所示。
▲圖13 工業(yè)用純鐵的去應(yīng)力退火工藝曲線
2.2 電工用硅鋼
電工用硅鋼實際上就是工業(yè)純鐵中含w(Si)1%~4.5%的鐵硅合金。它在室溫下具有含硅的單相鐵素體組織。硅溶于鐵中形成置換固溶體，引起晶格畸變，使電阻率增大，渦流損耗減少。晶格畸變也使矯頑力增大，但因硅鋼在高溫下可獲得粗大晶粒，且冷卻時無相變引起的晶粒細化，所以總結(jié)果仍使矯頑力降低。另外，硅能促進碳的離析并與氧化合，減輕碳、氧在鐵中間隙固溶的強烈有害作用，增大磁導(dǎo)率，使磁化變得比較容易，并降低磁滯損耗；同時因減小了磁時效傾向，也提高了磁性能的穩(wěn)定性。硅對磁性能的影響如圖14 所示。但硅的加入使鋼的脆性增大，導(dǎo)熱性降低，使材料的成形加工性能變壞，所以含量一般不超過w(Si)4.5%。
▲圖14 含硅量對電工用硅鋼磁性能的影響
電工用硅鋼磁感應(yīng)強度較高，鐵損（包括磁滯損耗和渦流損耗）較小，加工性能良好，主要用于制造電機和變壓器的鐵心，因此也常稱電機鋼或變壓器鋼，是用量最大的一種軟磁材料。影響鐵心硅鋼片磁性能的主要因素，除了硅含量以外，還有成分中的雜質(zhì)、結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)取向程度、應(yīng)力狀況和鋼片厚度等。①硅鋼中碳、氧、氮、硫等雜質(zhì)的存在，均使磁性惡化，但少量磷的存在有利于獲得粗晶，對磁性有益；②鐵素體具有明顯的磁晶各向異性，易磁化方向為（100)。當大多數(shù)晶粒的（110)面平行于硅鋼片軋制時的軋面，［001]方向平行于軋向，形成高斯織構(gòu)（110)[001]時，硅鋼片沿軋向有良好的磁性，為單取向硅鋼片；而當大多數(shù)晶粒的（100)面平行于軋向，一個［001]方向平行于軋向，另一個［010]方向垂直于軋向，形成立方織構(gòu)（100)[001]時，則硅鋼片沿軋向和垂直軋向均有良好的磁性，為雙取向硅鋼片；③磁性對應(yīng)力比較敏感，加工過程中產(chǎn)生的任何應(yīng)力均使磁性惡化；④硅鋼片的厚度越大，渦流損耗也越大。所以，為了獲得高磁性，硅鋼片應(yīng)該是雜質(zhì)（特別是碳）少、晶粒大、取向度高的薄鐵硅合金片。這就是硅鋼片生產(chǎn)工藝安排的原則。高性能硅鋼片的生產(chǎn)工藝是：冶煉出給定硅含量和最低碳含量（實際上一般約為w(C)0.05%)的鋼坯，然后熱軋成約2.5mm厚的鋼帶，最終冷軋為常用厚度0.5-0.35mm的薄鋼片。冷軋之前要進行退火，并在此道工序中把碳降到w(C)0.02%以下；最后要進行成品的高溫退火，以消除加工硬化和使晶粒粗化。這兩種退火是硅鋼片生產(chǎn)中最典型和最重要的熱處理。如果冷軋變形度較大（45%~60%),得到的是有織構(gòu)的組織，取向度約達90%;若冷軋變形較小（＜7%~10%)，則獲得取向度小的組織。如果只在熱態(tài)下軋制，則硅鋼片得不到織構(gòu)，沿軋向和垂直軋向的性能一樣。因此，根據(jù)織構(gòu)取向的特點，硅鋼片分為無取向熱軋硅鋼片、低取向度冷軋硅鋼片和取向冷軋硅鋼片。它們的性能見表2。
▼表2 電工用硅鋼片的磁性能
2.2.1 熱軋硅鋼片的熱處理
熱軋無取向硅鋼片是含硅的低碳鎮(zhèn)靜鋼板坯，經(jīng)多次加熱連續(xù)熱軋或疊片熱軋制成的。成品在連續(xù)式隧道爐、箱式爐或帶鋼連續(xù)爐中退火。退火溫度和時間隨硅鋼片品種及生產(chǎn)工藝的不同，一般為700~1200℃和保溫一天到數(shù)天，爐內(nèi)通保護氣體，通過去除應(yīng)力、脫碳和品粒長大，使產(chǎn)品達到性能要求。熱軋無取向硅鋼片的性能不如冷軋取向硅鋼片（見圖15)，有逐漸被后者取代的趨勢。
▲圖15 熱軋和冷軋取向硅鋼片的磁性與取向的關(guān)系
2.2.2 冷軋無取向硅鋼片的熱處理
冷軋無取向?qū)嶋H上是低取向。冷軋硅鋼片的磁性較高，厚度較均勻，表面質(zhì)量較好。許多情況下（如電機用硅鋼片）要求硅鋼片磁各向同性，所以20世紀50年代以后出現(xiàn)了冷軋無取向硅鋼片，并且發(fā)展很快。這種硅鋼片目前一般采用一次冷軋或臨界變形法生產(chǎn)，其工藝流程為：冶煉→鑄錠→初軋開坯→熱軋→酸洗→冷軋（→中間退火→臨界變形）→成品熱處理。生產(chǎn)方法的基本思想是：通過冷軋制度和最終熱處理制度的適當配合，破壞擇優(yōu)取向，獲得各向同性。一次冷軋法生產(chǎn)效率高，但因無中間退火的脫碳過程，難以保證高磁性。臨界變形法是在冷軋中間退火后進行變形，破壞已產(chǎn)生的各向異性，同時獲得大晶粒。壓下率一般為8%~10%,但此法常保留一定的各向異性。中間退火在800~900℃干氫氣或保護氣氛中進行。①在900℃以下退火時，二次再結(jié)晶不能顯著進行，磁各向異性不大，磁感應(yīng)強度高；②最終退火溫度高于1100℃時，由于發(fā)生α-γ轉(zhuǎn)變，破壞了晶粒的擇優(yōu)取向，使磁各向異性降低。最終退火均在氫氣或保護氣氛中進行，采用罩式爐或連續(xù)爐處理。
2.2.3 冷軋取向硅鋼片的熱處理
為了獲得高磁性的單取向硅鋼片，鋼中必須含有有利雜質(zhì)。它們在850℃以下呈細小顆粒彌散分布在鋼內(nèi)，穩(wěn)定地抑制晶粒長大；但在850℃以上能溶解于基體中，便于二次再結(jié)晶的進行，并可促進（110)[001]取向的優(yōu)先長大，而在高溫下則易分解而被去除。常用雜質(zhì)為硫化物、氮化物和碳化物，如MnS、AlN、VC等。具有高斯織構(gòu)的單取向冷軋硅鋼片的典型生產(chǎn)流程為：冶煉→鑄錠→開坯→熱軋（至厚約2.2mm)→退火→酸洗→冷軋（至厚約0.7mm)→中間退火→冷軋→(至最終厚度0.35mm)→脫碳退火→成品退火→涂層→拉伸回火→成品。在這個生產(chǎn)過程中，熱處理對產(chǎn)品的生產(chǎn)和最終性能都有極重要的作用，各道熱處理的目的和工藝可以說明如下。
（1)黑退火，是將雜質(zhì)（有利雜質(zhì)除外）含量較少的熱軋鋼帶，在冷軋之前，在760~780℃保溫8~15h,然后爐冷。目的是將鋼中的780℃保溫8~15h,然后爐冷。目的是將鋼中的w(C)脫至0.02%以下，以有利于以后促進獲得高斯織構(gòu)的雜質(zhì)均勻析出，并獲得細小的晶粒，為冷軋和后續(xù)工序作組織準備。
（2)中間退火，經(jīng)第一次冷軋后，鋼帶即成為最后的冷軋坯帶，同時獲得冷軋（變形）織構(gòu)，為再結(jié)晶織構(gòu)的形成創(chuàng)造條件。中間退火一般在800~900℃進行，爐中通濕氫或分解氨，保溫數(shù)分鐘。目的是軟化組織；為高斯織構(gòu)的形成提供一定量的（110)[001]取向晶粒和可變?yōu)榇朔N取向的（111)[112]取向晶粒；同時進一步脫碳，使w(C)降低到約0.01%.第二次冷軋后鋼帶達到最終尺寸，并獲得更多更強的（111)[112]織構(gòu)。
（3)脫碳退火，退火溫度為780~830℃,一般采用連續(xù)爐通濕氫處理，使鋼中w(C)降低到達0.008%以下；利用有利雜質(zhì)對晶粒長大的阻礙作用；獲得細小的再結(jié)晶晶粒；并使（110)[001]取向的晶粒增多，為二次再結(jié)晶生成高斯織構(gòu)提供更多的晶核。
（4)成品退火，通常在電熱罩式爐中的氫氣、保護氣氛或在真空下進行，溫度為1150~1200℃或更高。在950~1100℃范圍內(nèi)控制加熱速度，使雜質(zhì)的溶解速度與（110)[001]取向晶粒的長大速度相適應(yīng)，發(fā)生（110)[001]的擇優(yōu)長大。通過這樣的二次再結(jié)晶，獲得完善的、高取向度的高斯織構(gòu)，并在更高的溫度下去除雜質(zhì)，得到粗大晶粒。典型的工藝制度如圖16 所示。
▲圖16 取向硅鋼片最終退火工藝曲線
（5)拉伸回火，硅鋼片涂絕緣層后要進行拉伸回火。回火溫度為700~750℃，氫氣保護，拉伸應(yīng)力不大于10MPa,變形量不超過0.2%。回火的目的是矯正鋼卷在高溫退火中產(chǎn)生的板面彎曲和軋制時的翹變，并可使鐵損降低和磁感應(yīng)改善。除單取向外，還有具有立方織構(gòu)的雙取向硅鋼片。其生產(chǎn)方法是，以高純度單取向硅鋼片為原料，采用兩次冷軋（變形率為60%~70%),在1050℃進行中間退火，最終退火在1150~1200℃進行，保溫7~10h。此法生產(chǎn)的成品取向度高，但厚度不能超過0.20mm，大厚度雙取向硅鋼片采用柱狀晶法生產(chǎn)。將坯帶順其柱晶軸向熱軋，然后在高真空或干氫中進行長時間高溫（1200~1300℃)退火，使w(C)脫至約0.002%,并以40%的壓下率冷軋。這種方法獲得的立方織構(gòu)的取向度較低。目前，雙取向硅鋼片應(yīng)用還不多。
2.3 鐵鎳合金
鐵鎳軟磁合金常稱坡莫合金。與純鐵和電工鋼相比，它的特點是，在弱磁場中有很高的磁導(dǎo)率和很低的矯頑力，磁損也小，常具有矩形磁滯回線；廣泛應(yīng)用于電信、計算機和控制系統(tǒng)。圖17為鐵鎳合金相圖。w(Ni)<30%時，合金中有α-γ相變，w(C)>30%時，合金呈單相γ固溶體狀態(tài)，加熱和冷卻時不發(fā)生γ→α相變。當冷卻經(jīng)過居里點時，合金由順磁性γ相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性γ相。含約w(Ni)79.5%的合金緩慢冷卻時，在506℃時發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變，形成“超結(jié)構(gòu)”相FeNi3。此有序化轉(zhuǎn)變與合金中的其他元素和冷卻速度有關(guān)。Mo、Cu、Cr等阻礙有序化過程的發(fā)展，使有序化轉(zhuǎn)變溫度下降，Mn等則相反。在轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，改變冷卻速度可以控制有序化發(fā)展的程度。
▲圖17 鐵鎳合金相圖
圖18 展示各種磁性能與合金鎳含量的關(guān)系。w(Ni)78%~80%的合金的飽和磁致伸縮系數(shù)λ，和磁晶各向異性常數(shù)K1都接近于零，初始及最大磁導(dǎo)率μi和μm都具有極大值；w(Ni)50%的合金的飽和磁感應(yīng)強度B,值高，電阻率ρ也高；含w(Ni)65%的合金的居里點te最高，有利于獲得較好的磁場熱處理效果。這些鐵鎳合金都是優(yōu)良的導(dǎo)磁合金。
▲圖18 鐵鎳合金的各種磁性能與鎳含量的關(guān)系
鐵鎳軟磁合金的種類較多，根據(jù)其特性和用途可進行表3所示的分類。它們的主要成分和性能見表4。
▼表3 鐵鎳合金的主要成分和磁性能（厚度0.05-0.09mm）
合金的磁性能除了決定于成分、成分的均勻性和雜質(zhì)狀態(tài)以外，許多組織敏感性能還取決于組織結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的均勻性、結(jié)構(gòu)的取向特性、晶格畸變狀態(tài)和晶粒大小等，所以磁性合金要進行熱處理。對于各向異性合金，特別是矩磁合金和恒磁合金，還要進行磁場熱處理。鐵鎳合金的熱處理主要有三種。
2.3.1 中間退火
鐵鎳合金的塑性很好，可以冷軋成薄帶或極薄帶（如高頻用厚0.01~0.005mm的薄帶）。薄帶由多次冷軋獲得，變形量較大，對于1J50類合金，采用中等壓下率，壓下率一般為60%~80%.為了進一步變形加工，必須進行中間退火。為了改善磁性元件機械加工的工藝性能，也應(yīng)進行預(yù)先熱處理（退火）。這類中間退火或預(yù)先熱處理均在真空或氫氣中進行。加熱溫度為850~870℃,保溫1~4h，然后以200~300℃/h的冷速冷至600℃,再空冷或爐冷。
2.3.2 高溫退火
軟磁合金的最終熱處理多為高溫退火，目的在于消除應(yīng)力，凈化成分，獲得均勻的組織，調(diào)整和提高磁性能。
（1)退火介質(zhì)。軟磁合金的高溫退火必須在保護氣氛（通常用氫）或真空中進行，以防氧化并去除雜質(zhì)。在氫氣中，溫度越高，薄帶厚度越小，雜質(zhì)越易于從內(nèi)部擴散到表面而被清除。氫的純度越高，流量越大，去除雜質(zhì)的效果越好。氫氣應(yīng)干燥，露點在－40℃以下。在真空中，溶解在合金中的氣體較易從表面逸出，一些雜質(zhì)化合物也較易分解揮發(fā)，使合金凈化。真空度和溫度越高，凈化效果越好。一般，真空度應(yīng)不低于1.33Pa。實踐表明，非真空冶煉的合金，采用真空處理效果較好；而真空冶煉的合金，以采用氫氣處理較為適宜。厚度小于0.05mm的薄帶，特別是含鉻、硅的合金，對氫純度要求較高，不論真空或非真空冶煉，一般以真空熱處理為好。但若有高純氫氣，由于其高溫下的還原能力很強，則無論何種方法冶煉的合金，氫氣退火更為適宜。在氫氣中處理時，要注意合金的滲氫問題。為此，必須采取緩冷或氫氣－真空雙聯(lián)處理，以保證磁性能和力學(xué)性能不受影響。
（2)加熱條件。加熱速度對軟磁合金一般不很重要。為了最好地消除應(yīng)力，凈化成分，獲得要求的組織和較好的磁性能，鐵鎳合金的退火溫度都選定在1000~1300℃之間。提高退火溫度可顯著提高合金的磁導(dǎo)率（見圖19)，明顯地降低矯頑力。
▲圖19 w（ni）45%的鐵鎳合金的磁導(dǎo)率與退火溫度的關(guān)系
但溫度過高時會引起變形。除超低矯頑力合金的退火溫度為1300℃外，一般高導(dǎo)磁鐵鎳合金的退火溫度多在1100℃左右。對于要求具有矩磁特性的鐵鎳合金，因經(jīng)過較大的冷軋變形，壓下率常在95%以上，為了避免織構(gòu)的破壞，退火溫度可以低一些，常選在1000℃以下，圖20 和圖21 展示退火溫度對Ni29Mo4合金的磁導(dǎo)率、矯頑力和矩形比的影響。采用較低的退火溫度，對合金的力學(xué)性能和防止變形也較為有利。
▲圖20 退火溫度對Ni79Mo4合金導(dǎo)磁率的影響
▲圖21 退火溫度對Ni79Mo4合金矯頑力和矩形比的影響
退火保溫時間與合金的類型、元件尺寸、裝爐量、性能的要求等因素有關(guān)，一般為3~6h;矩磁合金的時間為2h左右。
（3)冷卻制度。退火加熱后的冷卻方法對鐵鎳軟磁合金的磁性具有極重要的作用。合金的有序化程度直接影響磁晶各向異性常數(shù)K和磁致伸縮系數(shù)λ，因而影響磁導(dǎo)率μ的大小。從退火溫度1100℃到接近有序化轉(zhuǎn)變溫度600℃,一般采用150~200℃/h的冷卻速度，平穩(wěn)地進行冷卻。冷速不宜超過250℃/h,以免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致磁性下降。在有序化轉(zhuǎn)變溫度范圍（600~400℃)內(nèi)，冷卻速度尤須適當，以使K值和λ值趨近于零或足夠小，得到盡可能高的磁導(dǎo)率μ。圖22示出不同成分的Ni-Fe-Mo合金磁導(dǎo)率與退火冷卻速度的關(guān)系。它表明隨合金中鋁含量的增加，對應(yīng)于最大初始磁導(dǎo)率的最佳冷卻速度降低。這是鉗阻止FeNi,有序相形成的結(jié)果。
▲圖22 Ni-Fe-Mo合金的導(dǎo)磁率與冷卻速度和鉬含量的關(guān)系
圖23 示出Ni-Fe-Mo合金的鎳含量對最佳冷卻速度的影響。可見鎳含量越高，獲得高磁導(dǎo)率的冷卻速度越大。一般，對于w(Ni)<65%的合金，由于有序化轉(zhuǎn)變不明顯，冷卻速度的作用不大，允許采用較快的冷卻速度，但以不引起較大內(nèi)應(yīng)力為原則。
▲圖23 Ni-Fe-Mo合金中鎳含量對最佳冷卻速度的影響
2.3.3 磁場退火
有些軟磁合金在高溫退火之后還要進行磁場退火。磁場退火有兩種方法：一種是將合金重新加熱到居里點以上約50°C（600℃左右），保溫一段時間后，在磁場中緩慢冷卻；第二種是加熱到居里點以下一定溫度（400℃左右），加磁場并保溫較長時間，再進行冷卻。后者叫做等溫磁場退火。經(jīng)過磁場退火后，合金中的磁疇采取與外磁場方向一致的分布，形成磁織構(gòu)，顯示出在外磁場方向上的單軸各向異性，沿磁場方向和垂直磁場方向的磁性能產(chǎn)生明顯的差異。圖24是w(Ni)50%的鐵鎳合金經(jīng)一般退火和磁場退火后的磁導(dǎo)率變化曲線。
▲圖24 w（Ni）50%D 鐵鎳合金的導(dǎo)磁率經(jīng)熱處理后的變化
矩磁合金通常進行縱向磁場退火，即熱處理時使磁場方向與應(yīng)用時的磁化方向一致。退火后合金的μ值和Br值提高（圖24中曲線a在曲線b之上），H,和鐵損降低，矩形比Br/Bm增大，磁滯回線呈矩形，如圖25所示。
▲圖25 w（Ni）65%的鐵鎳合金的磁滯回線
恒磁合金則進行橫向磁場退火，使磁場方向與應(yīng)用時的磁化方向垂直。這時合金的μ值和Br值下降（圖24 中曲線c在曲線b之下），磁滯回線呈扁平狀，μ值在一定磁場強度范圍內(nèi)變化不大。必須提出的是，磁場退火前、高溫退火后的合金應(yīng)處于無序狀態(tài)，以保證隨后在磁場的作用下形成磁織構(gòu)。否則，由于有序狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而使磁場火的效果降低。另外，合金的居里點對磁場退火的效果有影響。居里點低時，因磁場退火的溫度較低，形成磁織構(gòu)所必需的原子擴散較為困難，磁場熱處理的效果較小。對于依靠磁場熱處理產(chǎn)生磁各向異性的合金，居里點越高效果越大。圖26表明合金的最大磁導(dǎo)率與居里點的對應(yīng)關(guān)系。
▲圖26 鐵鎳合金最大導(dǎo)磁率范圍與居里溫度的關(guān)系
常用高導(dǎo)率、矩磁和恒磁鐵鎳合金推薦的熱處理工藝見表4。
2.4 鐵鋁合金
鐵鋁合金是一類較重要的軟磁合金。它具有較高的磁導(dǎo)率，密度較小，電阻率較高，鐵損小，硬度高，耐磨性好，有較好的防銹和耐銹性能，對應(yīng)力不敏感，抗振動和耐沖擊性能好，磁時效不嚴重。價格也比較便宜。但鋁含量較高（超過w(Al)10%)時，合金變脆，塑性降低，加工比較困難。w(Al)<34.4%的鐵鋁合金在高溫下的組織皆為含鋁鐵素體。在這個成分范圍內(nèi)，隨鋁含量和溫度的變化，合金中發(fā)生FeAl和Fe3Al的有序轉(zhuǎn)變和磁性轉(zhuǎn)變（見圖27)。改變成分和進行熱處理，可以顯著改變鐵鋁合金的磁性能。圖28顯示主要磁性能的變化。
▲圖27 鐵鋁合金相圖（左下部分）
▲圖28 鐵鋁合金主要磁性能以及有關(guān)性能（分圖a、b、c、d)隨鋁含量的變化
由圖可見，高導(dǎo)磁合金的鋁含量（質(zhì)量分數(shù)）應(yīng)為16%或12%(圖28a)；高磁致伸縮合金的鋁含量質(zhì)量分數(shù)為14%(圖28c)；高磁感應(yīng)合金的鋁含量（質(zhì)量分數(shù)）約為6%(圖28b) 。按照性能特點和用途，我國生產(chǎn)的鐵鋁磁性合金主要有四種牌號，其鋁含量范圍、特點和用途見表5;主要性能見表6。
鐵鋁合金的生產(chǎn)工藝流程是：真空冶煉→鋼錠剝皮→鍛造→熱軋→溫軋（1J12、1J13、1J16)或冷軋（1J6)→軟化處理→成品加工→最終熱處理→測試→包裝。在這個流程中，熱處理有以下幾個過程。
2.4.1 軟化處理
1J6、1J13和1J12經(jīng)溫軋或熱軋制成的帶材，因鋁含量較高而較硬較脆，進行沖、剪、彎等加工之前，必須先經(jīng)過軟化處理，降低硬度，提高塑性。軟化處理的推薦工藝見表7。軟化退火溫度不高，且合金的抗氧化性能較好，加熱可以在空氣中進行。鐵鋁合金即使進行了軟化處理，其加工還是比鐵鎳合金更耗費模具。1J6的加工塑性較好，一般可不進行軟化處理。
▼表7 鐵鋁合金帶軟化處理工藝
2.4.2 最終熱處理
最終熱處理為高溫退火，由它保證產(chǎn)品的性能。（1)退火介質(zhì)。處理在保護氣氛中進行。這除了使合金進一步凈化外，還可防止鋁的滲氨和高溫揮發(fā)。目前較多采用氫氣氣氛，效果較好。爐內(nèi)氣氛的露點應(yīng)在－60℃以下。也可采用真空。在空氣中處理時，合金的磁性能下降。
（2)加熱條件。升溫速度對磁性影響不大，多隨爐升溫，時間約2h.在再結(jié)晶溫度（約750℃)附近放慢升溫速度對晶粒長大有利，于磁性也有好處。高溫退火的目的是使軋制后的合金發(fā)生再結(jié)晶，消除加工硬化；通過擴散實現(xiàn)凈化；獲得無序的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和粗化品粒，為使產(chǎn)品最終獲得高磁性創(chuàng)造條件。加熱溫度應(yīng)遠高于圖27中FeAl的有序無序轉(zhuǎn)變溫度。例如，1J16和1J13的退火溫度多定在1100℃左右，保溫時間一般采用2h;溫度低時采用3h。
（3)冷卻規(guī)范。加熱后進行爐冷，冷卻速度約為100℃/h.爐冷比控制降低的效果好。冷卻規(guī)范對合金的性能有重要作用。各種牌號鐵鋁合金的性能要求相差較大，它們的冷卻方法有明顯的不同。1J16要求高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，希望各向異性常數(shù)Ki和飽和磁致伸縮系數(shù)λs同時具有較低值。根據(jù)圖27,可由快冷（或淬火）來控制合金的有序度。關(guān)鍵是掌握快冷開始溫度。溫度過高應(yīng)力太大，過低則有序度過高，一般以600~700℃開始快冷較為適宜。實踐表明，在650℃淬火μi和μm都最大。為了保證淬火速度，可采用冰水作冷卻介質(zhì)，生產(chǎn)上也可采用冰鹽水、水、油或其他冷卻劑。
1J13要求高的飽和磁致伸縮系數(shù)λ。所以合金冷卻時，在730℃附近必須緩慢進行，使α相有序化；而在520℃左右更緩慢進行，以使其轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3Al有序結(jié)構(gòu)。實驗表明，這個合金在氫氣中以小于250℃/h的速度冷卻通過520℃時，可以獲得最大的磁致伸縮系數(shù)。
1J12要求兼有較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度。根據(jù)圖27,冷卻時合金在約470℃發(fā)生磁性α無序固溶體向磁性Fe3Al有序固溶體的轉(zhuǎn)變。如果從470℃以上緩慢冷卻，當有序化較充分時，各向異性常數(shù)Ki 趨于零值（見圖28c),有利于獲得高磁導(dǎo)率（見圖28a).如果較快冷卻（淬火），則Ki 值較大，磁導(dǎo)率降低。飽和磁致伸縮系數(shù)λs 的情況與磁導(dǎo)率相反（見圖128c)。可見Ki與λs 不能同時都趨于零。為了獲得最佳磁性能，確定最佳冷卻制度，特別是Fe3Al有序化溫度以下的冷卻速度或冷卻溫度，具有重要意義。目前主要依靠試驗來確定。
1J6要求具有高的飽和磁感應(yīng)強度。合金在熱處理過程中不發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變。一般采用比較簡單的緩慢冷卻方法。出爐溫度較低，以降低矯頑力和提高磁導(dǎo)率。為了提高磁性，退火后進行一次磁場熱處理。其工藝為：在氫氣中重新加熱至700-750℃,外加1200~1600A/m的磁場，保溫2~4h，然后以50℃/h的速度冷卻到250℃出爐。
2.4.3 時效處理
1J16的溫度穩(wěn)定性不夠理想。為了改善其溫度穩(wěn)定性，方法之一是進行人工時效處理。工藝為50~150℃保溫10~20h。
2.5 非晶態(tài)合金
20世紀50年代出現(xiàn)非晶態(tài)合金（又稱金屬玻璃）。之后不久一直到現(xiàn)在，非品態(tài)合金都是研究和開發(fā)的一個熱點。由鐵族金屬（Fe、Co、Ni等）和類金屬（B、Si、P等）用液態(tài)急冷（冷速達10°℃/s以上）法等制備的非晶態(tài)合金，由于無晶界和磁晶各向異性，不存在磁疇壁移動的障礙，容易磁化；同時因為電阻率高，渦流損耗也小，所以表現(xiàn)出優(yōu)良的軟磁特性，以及良好的耐蝕、耐磨性能。目前已取得實用的金屬玻璃有兩類：
①高磁感應(yīng)強度的非晶態(tài)軟磁材料，主要是Fe-B系或Fe-B-Si系合金，為了提高磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度，并降低矯頑力，加入一定量的Co,這類合金多用于電力變壓器和電機，以及電源變壓器、開關(guān)電源、脈沖變壓器和電抗器等；
②高磁導(dǎo)率的非晶態(tài)軟磁材料，基本上是Co-Fe-B系和Ni-Fe-B系合金，主要用于無線電和儀器儀表工業(yè)中的信息敏感器件和小功率器件，如磁屏蔽、磁頭、高頻開關(guān)電源、磁彈傳感器、漏電保護開關(guān)、磁調(diào)節(jié)器、小功率脈沖變壓器和小功率瓦特表等。以上兩類非晶態(tài)軟磁合金的基本電磁性能見表9。
▼表9 非晶態(tài)軟磁合金的基本電磁性能
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