1 金屬磁性的物理基礎
1.1 物質磁性分類
一切物質，無論處于什么狀態和條件下，都顯示一定的磁性。磁性來源于物質的原子磁矩，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生變化。一般，物質的磁化強度M與外磁場強度H成正比：M=xH,比例常數 x 稱為磁化率，是反映物質磁化本性的一種磁參量或磁性能。根據磁化率或磁化曲線（圖1)。
▲圖1 物質的磁化曲線示意圖
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，磁化曲線為直線（曲線1)。磁化時，物質的內部產生與外磁場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。②順磁體，磁化率為正（x>0)，數值也很小（10E-5~10E-2)，也與外磁場無關，但與溫度有強烈的關系，磁化曲線亦為直線（曲線2)。磁化時物質內部產生一與外磁場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。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，轉變為順磁體。金屬鐵、鈷、鎳是最典型的鐵磁性物質，它們在居里溫度T.(相應為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合氧化物），為目前應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，而后轉變為順磁性。金屬鉻、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。
抗磁體和順磁體以及反鐵磁體皆屬于弱磁性物質，也常被稱為非磁性物質，在一般的磁性材料中較少有實際應用。但現在發現，它們在一些特殊器件中，例如在微波高頻條件下，有很好的應用前景。鐵磁體和亞鐵磁體屬于強磁性物質，是各種工業中應用最廣的磁性材料，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。根據磁特性和應用特點，強磁性合金通常分為軟磁合金和永磁（或硬磁）合金兩大類。
鐵磁物質在磁場中磁化時，隨外磁場強度H值的增大，材料的磁感應強度B值很快增大，當磁場達到Hs 值時，磁感應即達到飽和值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稱為初始磁導率μi；過原點的磁化曲線的外切線的斜率為最大磁導率μm；它們反映材料磁化的難易程度，數值越大，則對于高導磁率材料的性能越有利。進行退磁時，磁場強度從Hs 減小，磁感應強度也隨之從Bs 減小，但不按磁化曲線OaS回復，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，磁感應強度不降低到0，而還剩余一定的值Br。磁感應強度B的減小滯后于磁場強度H減小的現象稱為磁滯。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 鐵磁物質的磁滯回線
由磁滯回線可以確定材料的一些重要磁學性能。Br為剩磁感應強度，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（H,B=0)磁化時出現，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叫做最大磁感應強度，小回線頂點的連線即構成起始磁化曲線。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組成的，如圖4所示。
▲圖4 鐵磁合金磁疇示意圖
這些磁區叫做磁疇，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 鐵磁體磁疇壁結構示意圖
鐵磁體的每個磁疇都是自發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，相應有4, 3, 2個電子自旋磁矩未被抵消，因此產生原子磁矩。另外，當原子相互接近時，它們的電子發生相互交換，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地排向同一方向，發生自發磁化，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構的特點。鐵磁體在完全退磁狀態下，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
原來的狀態，則材料繼續顯示磁性，而產生剩磁。
▲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動，使方向與磁場方向一致，而可由已自發磁化到飽和的磁疇為磁化單元，借助于所產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，它的取向和結構還與原子間磁的相互作用有關。這種相互作用主要表現為以下三種磁能。
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生變化的現象稱為磁致伸縮。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。
磁致伸縮在磁體內造成應力，影響磁化過程的進行。沿磁場方向的拉應力，促進磁化，使磁化所需能量減小；垂直磁場方向的拉應力則阻礙磁化，使磁化所需能量增大。由磁致伸縮引起應力，導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。開路狀態的鐵磁體磁化后，產生磁極，在磁體內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，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），飽和磁感應強度Bs高（儲能高），初始和最大磁導率μi、μm高（靈敏度高），以及性能的穩定性好。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、力學性能。軟磁合金的磁導率、矯頑力和磁滯損耗等是很強的組織敏感性能，對合金中的雜質和非金屬夾雜、晶體結構、結構的擇優取向、晶體缺陷、內應力等非常敏感，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，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純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鋁合金以及新發展起來的非晶態合金等。
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。它們的飽和磁感應強度高，磁導率高，矯頑力小，但電阻率低，鐵損較大，是應用最早、易于加工和最便宜的軟磁材料和原料。應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、性能和應用特點見表1。
▼表1 電磁純鐵的牌號、成分、主要性能和應用特點
純鐵的磁性能與純度有關。純度越高，則軟磁性能越好。影響最大的有害雜質是碳。它使磁導率下降，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強度（見圖10）。
▲圖10 雜質對純鐵飽和磁感應強度的影響
溶解在純鐵的α相中時，間隙固溶雜質（如碳、氮、氧）的有害作用比置換固溶雜質（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在純鐵中。這時雜質對磁性能的影響，不僅與雜質的性質和數量有關，而且還與其顆粒大小、形狀及分布有聯系。雜質性質和基體差別越大，數量越多，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，致使磁導率明顯下降（30%~50%),鐵損增大，矯頑力可能增大若干倍，這種現象叫做磁時效。氮和氧也能引起磁時效。為了避免發生磁時效，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，溶解在金屬內部的碳、氮、氧、硫等雜質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雜質（如硅、錳、銅、鋁）則保留在固溶體內，壞作用不大。采用高溫真空退火處理，同樣可得到凈化效果。電工用純鐵經凈化退火以后，由于雜質含量降低和晶粒粗化，軟磁性能大大提高，最大磁導率可提高一個數量級。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，得到的磁導率μ≈25×10E-3H/m；μm=300×10E-3H/m。
2.1.3 去應力退火
冷加工造成純鐵內部多種晶體缺陷（位錯、層錯等），并引起內應力，增加磁疇壁運動的難度，使He增大，μm值降低（見圖11)。
▲圖11 冷變形對工業純鐵磁性能的影響
為了消除這些不良影響，可以進行去應力退火或再結晶退火。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系
退火溫度高，晶粒粗大，于磁性能有利，所以去應力退火一般采用不發生α-γ相變的最高溫度，避免冷卻時發生相變使晶粒細化。因此，純鐵消除冷加工應力通常采用的再結晶退火工藝制度是：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 工業用純鐵的去應力退火工藝曲線
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、結構的擇優取向程度、應力狀況和鋼片厚度等。①硅鋼中碳、氧、氮、硫等雜質的存在，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（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（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磁性對應力比較敏感，加工過程中產生的任何應力均使磁性惡化；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，硅鋼片應該是雜質（特別是碳）少、晶粒大、取向度高的薄鐵硅合金片。這就是硅鋼片生產工藝安排的原則。高性能硅鋼片的生產工藝是：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。如果只在熱態下軋制，則硅鋼片得不到織構，沿軋向和垂直軋向的性能一樣。因此，根據織構取向的特點，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靜鋼板坯，經多次加熱連續熱軋或疊片熱軋制成的。成品在連續式隧道爐、箱式爐或帶鋼連續爐中退火。退火溫度和時間隨硅鋼片品種及生產工藝的不同，一般為700~1200℃和保溫一天到數天，爐內通保護氣體，通過去除應力、脫碳和品粒長大，使產品達到性能要求。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系
2.2.2 冷軋無取向硅鋼片的熱處理
冷軋無取向實際上是低取向。冷軋硅鋼片的磁性較高，厚度較均勻，表面質量較好。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年代以后出現了冷軋無取向硅鋼片，并且發展很快。這種硅鋼片目前一般采用一次冷軋或臨界變形法生產，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，破壞擇優取向，獲得各向同性。一次冷軋法生產效率高，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，二次再結晶不能顯著進行，磁各向異性不大，磁感應強度高；②最終退火溫度高于1100℃時，由于發生α-γ轉變，破壞了晶粒的擇優取向，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。它們在850℃以下呈細小顆粒彌散分布在鋼內，穩定地抑制晶粒長大；但在850℃以上能溶解于基體中，便于二次再結晶的進行，并可促進（110)[001]取向的優先長大，而在高溫下則易分解而被去除。常用雜質為硫化物、氮化物和碳化物，如MnS、AlN、VC等。具有高斯織構的單取向冷軋硅鋼片的典型生產流程為：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。在這個生產過程中，熱處理對產品的生產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（有利雜質除外）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的雜質均勻析出，并獲得細小的晶粒，為冷軋和后續工序作組織準備。
（2)中間退火，經第一次冷軋后，鋼帶即成為最后的冷軋坯帶，同時獲得冷軋（變形）織構，為再結晶織構的形成創造條件。中間退火一般在800~900℃進行，爐中通濕氫或分解氨，保溫數分鐘。目的是軟化組織；為高斯織構的形成提供一定量的（110)[001]取向晶粒和可變為此種取向的（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。
（3)脫碳退火，退火溫度為780~830℃,一般采用連續爐通濕氫處理，使鋼中w(C)降低到達0.008%以下；利用有利雜質對晶粒長大的阻礙作用；獲得細小的再結晶晶粒；并使（110)[001]取向的晶粒增多，為二次再結晶生成高斯織構提供更多的晶核。
（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℃范圍內控制加熱速度，使雜質的溶解速度與（110)[001]取向晶粒的長大速度相適應，發生（110)[001]的擇優長大。通過這樣的二次再結晶，獲得完善的、高取向度的高斯織構，并在更高的溫度下去除雜質，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生的板面彎曲和軋制時的翹變，并可使鐵損降低和磁感應改善。除單取向外，還有具有立方織構的雙取向硅鋼片。其生產方法是，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。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的取向度較低。目前，雙取向硅鋼片應用還不多。
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率和很低的矯頑力，磁損也小，常具有矩形磁滯回線；廣泛應用于電信、計算機和控制系統。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，加熱和冷卻時不發生γ→α相變。當冷卻經過居里點時，合金由順磁性γ相轉變為鐵磁性γ相。含約w(Ni)79.5%的合金緩慢冷卻時，在506℃時發生有序化轉變，形成“超結構”相FeNi3。此有序化轉變與合金中的其他元素和冷卻速度有關。Mo、Cu、Cr等阻礙有序化過程的發展，使有序化轉變溫度下降，Mn等則相反。在轉變溫度范圍內，改變冷卻速度可以控制有序化發展的程度。
▲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系。w(Ni)78%~80%的合金的飽和磁致伸縮系數λ，和磁晶各向異性常數K1都接近于零，初始及最大磁導率μi和μm都具有極大值；w(Ni)50%的合金的飽和磁感應強度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良的導磁合金。
▲圖18 鐵鎳合金的各種磁性能與鎳含量的關系
鐵鎳軟磁合金的種類較多，根據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狀態以外，許多組織敏感性能還取決于組織結構、結構的均勻性、結構的取向特性、晶格畸變狀態和晶粒大小等，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，也應進行預先熱處理（退火）。這類中間退火或預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，目的在于消除應力，凈化成分，獲得均勻的組織，調整和提高磁性能。
（1)退火介質。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。在氫氣中，溫度越高，薄帶厚度越小，雜質越易于從內部擴散到表面而被清除。氫的純度越高，流量越大，去除雜質的效果越好。氫氣應干燥，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，一些雜質化合物也較易分解揮發，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－真空雙聯處理，以保證磁性能和力學性能不受影響。
（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%的鐵鎳合金的磁導率與退火溫度的關系
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，因經過較大的冷軋變形，壓下率常在95%以上，為了避免織構的破壞，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，對合金的力學性能和防止變形也較為有利。
▲圖20 退火溫度對Ni79Mo4合金導磁率的影響
▲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，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K和磁致伸縮系數λ，因而影響磁導率μ的大小。從退火溫度1100℃到接近有序化轉變溫度600℃,一般采用150~200℃/h的冷卻速度，平穩地進行冷卻。冷速不宜超過250℃/h,以免產生內應力，導致磁性下降。在有序化轉變溫度范圍（600~400℃)內，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率μ。圖22示出不同成分的Ni-Fe-Mo合金磁導率與退火冷卻速度的關系。它表明隨合金中鋁含量的增加，對應于最大初始磁導率的最佳冷卻速度降低。這是鉗阻止FeNi,有序相形成的結果。
▲圖22 Ni-Fe-Mo合金的導磁率與冷卻速度和鉬含量的關系
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，獲得高磁導率的冷卻速度越大。一般，對于w(Ni)<65%的合金，由于有序化轉變不明顯，冷卻速度的作用不大，允許采用較快的冷卻速度，但以不引起較大內應力為原則。
▲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，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生明顯的差異。圖24是w(Ni)50%的鐵鎳合金經一般退火和磁場退火后的磁導率變化曲線。
▲圖24 w（Ni）50%D 鐵鎳合金的導磁率經熱處理后的變化
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變化不大。必須提出的是，磁場退火前、高溫退火后的合金應處于無序狀態，以保證隨后在磁場的作用下形成磁織構。否則，由于有序狀態下結構穩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率與居里點的對應關系。
▲圖26 鐵鎳合金最大導磁率范圍與居里溫度的關系
常用高導率、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，隨鋁含量和溫度的變化，合金中發生FeAl和Fe3Al的有序轉變和磁性轉變（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性能（分圖a、b、c、d)隨鋁含量的變化
由圖可見，高導磁合金的鋁含量（質量分數）應為16%或12%(圖28a)；高磁致伸縮合金的鋁含量質量分數為14%(圖28c)；高磁感應合金的鋁含量（質量分數）約為6%(圖28b) 。按照性能特點和用途，我國生產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
（1)退火介質。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。目前較多采用氫氣氣氛，效果較好。爐內氣氛的露點應在－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生再結晶，消除加工硬化；通過擴散實現凈化；獲得無序的結構狀態和粗化品粒，為使產品最終獲得高磁性創造條件。加熱溫度應遠高于圖27中FeAl的有序無序轉變溫度。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要求高的磁導率和低的矯頑力，希望各向異性常數Ki和飽和磁致伸縮系數λs同時具有較低值。根據圖27,可由快冷（或淬火）來控制合金的有序度。關鍵是掌握快冷開始溫度。溫度過高應力太大，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，生產上也可采用冰鹽水、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，以使其轉變為Fe3Al有序結構。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。
1J12要求兼有較高的磁導率和磁感應強度。根據圖27,冷卻時合金在約470℃發生磁性α無序固溶體向磁性Fe3Al有序固溶體的轉變。如果從470℃以上緩慢冷卻，當有序化較充分時，各向異性常數Ki 趨于零值（見圖28c),有利于獲得高磁導率（見圖28a).如果較快冷卻（淬火），則Ki 值較大，磁導率降低。飽和磁致伸縮系數λs 的情況與磁導率相反（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強度。合金在熱處理過程中不發生有序化轉變。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的溫度穩定性不夠理想。為了改善其溫度穩定性，方法之一是進行人工時效處理。工藝為50~150℃保溫10~20h。
2.5 非晶態合金
20世紀50年代出現非晶態合金（又稱金屬玻璃）。之后不久一直到現在，非品態合金都是研究和開發的一個熱點。由鐵族金屬（Fe、Co、Ni等）和類金屬（B、Si、P等）用液態急冷（冷速達10°℃/s以上）法等制備的非晶態合金，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，所以表現出優良的軟磁特性，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高磁感應強度的非晶態軟磁材料，主要是Fe-B系或Fe-B-Si系合金，為了提高磁導率和磁感應強度，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、開關電源、脈沖變壓器和電抗器等；
②高磁導率的非晶態軟磁材料，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中的信息敏感器件和小功率器件，如磁屏蔽、磁頭、高頻開關電源、磁彈傳感器、漏電保護開關、磁調節器、小功率脈沖變壓器和小功率瓦特表等。以上兩類非晶態軟磁合金的基本電磁性能見表9。
▼表9 非晶態軟磁合金的基本電磁性能
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