磁性合金

材料科学术语

呈现铁磁性的精密合金材料。磁性合金在外加磁场中，可表现出三种情况：（1）不被磁场吸引的，叫反磁性材料；（2）微弱地被磁场所吸引的物质，叫顺磁性材料；（3）被磁场强烈地吸引的物质，称铁磁性材料，其磁性随外磁场的加强而急剧增高，并在外磁场移走后，仍能保留磁性。金属材料中，大多数过渡金属具有顺磁性；只有Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的。

产生原因

物质的磁性与其内部电子结构有关。反磁性金属的原子中电子都已成对，正、反自旋的电子数目相等，由电子自旋而产生的磁矩互相抵消，因此原子磁矩为零，故不为外磁场所吸引。顺磁性金属原子中，正反自旋的电子数目不等，原子的磁矩不为零。由于无规则的热运动，原子磁矩的方向各异。放入磁场时，原子磁矩沿磁场方向取向而略有偏转，表现出微弱的磁化，除去外磁场，原子磁矩又混乱分布，磁化消失。

铁磁性的起源和顺磁性相似，来自原子中未成对的电子。但在铁磁性材料内部还存在着称为“磁畴”的许多局部小区域，在这些小区域内，相邻的原子磁矩取向一致，趋于相互平等的排列；而各磁畴间的自发磁化方向是无序的，因此整块材料的宏观磁矩为零，对外不显示磁性。当处于磁场中时，各磁畴的磁矩会在一定程度上沿磁场方向排列，这样，一个磁畴沿磁场顺排一次就相当于许多原子磁矩的顺排。因此铁磁性材料与磁场间的相互作用，要比顺磁性物质大得多。除去外磁场，各磁畴仍力图尽可能保持原有磁场存在时所形成的取向，此时磁畴取得的部分顺排，就使材料保持有残留磁性，于是，该材料就“永久”磁化了。用一块永久铁摩擦铁磁材料，即可使之永久磁化。永磁材料的磁性，也可因加热或猛烈的撞击使磁畴方向变得无序而被破坏。

技术参数

磁性合金广泛地应用于电力、电信、机械电子、仪表和计算技术等工业中，是国民经济各部门不可缺少的材料。磁性参数和技术磁性是衡量磁性合金性能优劣的技术参数，如饱和磁化强度Ms（饱和磁感应强度Bs）、剩余磁化强度Mr（剩余磁感应强度Br）、矫顽力、各种磁导率、矩形比、磁滞损耗等等都反映在合金的磁化曲线和磁滞回线上（见图1）。不同的磁性合金有不同的磁化曲线和磁滞回线，适用于不同器件的设计应用。这些是磁性合金的技术磁性。它与外界条件的影响和磁性状态的改变密切相关，涉及到合金内部磁畴的成因和结构，以及磁畴在各种条件（如外磁场、应力、温度等）下的运动和变化。

磁性分类

根据加工成型工艺磁性合金可分为冷加工和热加工型（大部分磁性合金属于此类）、铸造型（如铝镍钴永磁合金）和粉末冶金型（如稀土永磁合金）磁性合金。按原子组态可分为结晶态型（传统的磁性合金均属于此类）和非晶态型磁性合金，以及纳米晶型磁性合金。传统上，磁性合金按照磁性能，可分为软磁合金、永磁合金和半硬磁合金，还有磁致伸缩合金和磁记录材料。

（1）软磁合金。矫顽力Hc<1kA/m的磁性合金，其特点是矫顽力低、磁导率高和铁心损耗低，在外磁场作用下极易磁化;当外磁场去除后，磁性随之消失。此类合金广泛用于各种变压器、电机、继电器、电磁铁、磁记录、磁屏蔽及通信工程、遥测遥感系统和在仪器仪表中作为磁性元器件。由于应用中对磁性合金的要求不同，因此发展成多种合金。若按组成化学成分可分为工业纯铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金、铁铝和铁硅铝合金等。若按使用特性可分为高起始磁导率合金、高磁感合金、高导磁合金、高矩形比合金、恒导磁合金、耐蚀软磁合金和温度补偿合金等。此外按结晶状态又可分为晶态与非晶态软磁合金等。由于软磁合金性能的多样性，决定了影响其性能的因素的多样性。主要影响因素有：化学成分、杂质、应力及其分布、组织结构、晶体取向、有序转变，磁退火等。例如合金的饱和磁化强度、居里温度、磁致伸缩系数及电阻率和耐蚀性等特性与化学成分密切相关。合金中的杂质、特别是碳、氮、氧和氢等形成间隙固溶体的元素对软磁性能有显著损害，因为当形成间隙原子时，由晶格畸变引起的微观应力分布，直接钉扎畴壁位移，从而使矫顽力和磁导率显著恶化，应尽量去除。但在一定条件下，某些杂质也会起到有利作用，例如少量的间隙杂质元素可提高合金的电阻率和力学性能。又如细小的AlN、MnS和微量的氧分别有利于硅钢的二次再结晶的发展和控制铁镍合金的晶

（2）永磁合金。矫顽力Hc>20kA/m的磁性合金，包括铝镍钴系合金、铁铬钴合金、可变形永磁合金、铂钴合金及稀土永磁合金等。这类合金的特点是矫顽力高、饱和磁感应强度和剩磁感应强度高、磁滞回线宽且近似于方形，以保证具有高的最大磁能积（BH）max。这类合金在磁化后，去除磁化场时磁化状态基本保持不变，即不易退磁，具有一定的磁“硬”度，故又称硬磁合金。该类合金广泛用于电磁式仪表、示波器、扬声器、行波管、陀螺仪、继电器、断路器、磁选机、磁轴承、磁性耦合器、核磁共振成像仪、音像和通信设备及磁化节能设备等。

（3）半硬磁合金。包括磁滞合金、簧片开关合金、继电器铁心和存贮器元件材料等。这类合金的矫顽力要求不高，介于软磁合金和永磁合金之间。它们是在磁性随着外磁场变化的条件下工作的，要求合金在一定的磁场下具有高的Br和尽可能大的磁滞回线面积，即有较大的磁滞损耗。这类合金主要用于制作磁滞电机转子、继电器铁心、簧片开关元件及存贮器元件等。

（4）磁致伸缩合金。具有大磁致伸缩系数的磁性合金，包括纯镍、铁钴合金、铁铝合金及稀土铁合金。这类合金的矫顽力不高，但具有很高的饱和磁致伸缩值，主要用于超声波发射和接收、声纳系统、电机械滤波器、精密控制系统、各种阀门、驱动器等。

（5）磁记录材料。用于计算机作记录、存贮和再生信息的材料，包括磁头用合金和磁记录介质材料。磁头用的磁性合金有铁镍系的坡莫合金、铁铝合金、铁硅铝系的森达斯特合金和钴基非晶态合金等。用做磁记录介质的有铁、钴、镍的合金粉涂层和用电镀、化学或蒸发的方法制成的钴镍、钴铬等磁性合金薄膜等。

实际应用

金属中组成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。使用的永磁合金有稀土-钴系、铁-铬-钴系和锰-铝-碳系合金。其中稀土系列已经历三代。第一代永磁材料是以RECo5为代表（RE表示稀土元素），以SmCo5性能最好；以后出现减少稀土用量的第二代永磁材料Sm2Co17等；80年代开发成功的Nd-Fe-B钕铁硼是第三代，其中主要成份是铁（约占2/3），成本显著降低，性能更好。我国生产的钕铁硼合金的磁性能，在国际上于领先地位。磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中，有着日益广泛的应用。

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