1 金属磁性的物理基础
1.1 物质磁性分类
一切物质，无论处于什么状态和条件下，都显示一定的磁性。磁性来源于物质的原子磁矩，而主要是原子的电子自旋磁矩。在外磁场中，物质的原子磁矩或电子磁矩受到作用而变化，因而单位体积的磁矩即磁化强度发生变化。一般，物质的磁化强度M与外磁场强度H成正比：M=xH,比例常数 x 称为磁化率，是反映物质磁化本性的一种磁参量或磁性能。根据磁化率或磁化曲线（图1)。
▲图1 物质的磁化曲线示意图
①抗磁体，磁化率为负（x<0),绝对值很小（10E-6~10E-4），且与外磁场和温度无关，磁化曲线为直线（曲线1)。磁化时，物质的内部产生与外磁场H方向相反的微弱附加磁场H',与外磁场相斥，而使通过的磁力线减少，磁场减弱。非金属硅、磷、硫和金属铜、银、镉、汞等，都是典型的抗磁性物质。②顺磁体，磁化率为正（x>0)，数值也很小（10E-5~10E-2)，也与外磁场无关，但与温度有强烈的关系，磁化曲线亦为直线（曲线2)。磁化时物质内部产生一与外磁场H方向一致的附加磁场H',与外磁场相吸，使磁场增大。但由于在常温下磁化很困难，磁场不会有明显的增大。稀土金属、碱金属和某些过渡金属（钛、钒、钼等）就是强烈的顺磁性物质。③铁磁体，磁化率很高（x=10~10E6)，在弱磁场中即容易被磁化，获得很高的磁化强度，并很快达到磁饱和。磁化强度与外磁场呈非线性关系（曲线3)，但随温度的升高而逐渐减小，到居里温度T.时铁磁性消失，转变为顺磁体。金属铁、钴、镍是最典型的铁磁性物质，它们在居里温度T.(相应为770℃、1131℃和358℃)以下，为磁性很强的铁磁体。④亚铁磁体，与铁磁体基本相似（曲线4)，但磁化率和饱和磁化强度较低些，是原子磁矩未完全抵消而有净磁矩的磁体。铁氧体（由以Fe2O3为主要成分、与另一种或多种金属氧化物组成的复合氧化物），为目前应用最广泛的亚铁磁性材料。⑤反铁磁体，磁化率非常小（曲线5),一般在10E-5~10E-3之间，是相邻原子自旋磁矩反平行排列的磁体。其磁化率随温度的升高而增大，到奈尔温度T、时达极大值，而后转变为顺磁性。金属铬、α-锰、氧化锰、氧化镍以及过渡金属的离子化合物等，是常见的反铁磁性物质。
抗磁体和顺磁体以及反铁磁体皆属于弱磁性物质，也常被称为非磁性物质，在一般的磁性材料中较少有实际应用。但现在发现，它们在一些特殊器件中，例如在微波高频条件下，有很好的应用前景。铁磁体和亚铁磁体属于强磁性物质，是各种工业中应用最广的磁性材料，其中以铁、钴、镍为基的合金为最重要的和最主要的磁性合金。根据磁特性和应用特点，强磁性合金通常分为软磁合金和永磁（或硬磁）合金两大类。
铁磁物质在磁场中磁化时，随外磁场强度H值的增大，材料的磁感应强度B值很快增大，当磁场达到Hs 值时，磁感应即达到饱和值Bs，磁化曲线如图2中的OaS线所示。磁场H值接近于0时的磁化曲线的斜率（B/H)H=0称为初始磁导率μi；过原点的磁化曲线的外切线的斜率为最大磁导率μm；它们反映材料磁化的难易程度，数值越大，则对于高导磁率材料的性能越有利。进行退磁时，磁场强度从Hs 减小，磁感应强度也随之从Bs 减小，但不按磁化曲线OaS回复，而沿较其更平缓的曲线减小。退磁曲线与磁化曲线的不重合，表明磁化的不可逆性。当磁场强度减小到0时，磁感应强度不降低到0，而还剩余一定的值Br。磁感应强度B的减小滞后于磁场强度H减小的现象称为磁滞。为了使B减小到0，必须施加反向磁场-H,在其强度增大到－Hc 时，B=0。如果继续增大反向磁场，则磁体开始在反方向上磁化。－H增大，－B也增大，在－Hs时反向磁化达到饱和，B=-Bs。此时，若减小反向磁场，则与上述过程相似，－B不断减小，而在H=0时，B=-Br；为了使其降低至0，必须再施加正向磁场到He。H继续增大到Hs，材料再次达到磁饱和，B=Bs，所以，随H由＋Hs→0→-Hs→0→+Hs，B则由＋Bs→Br→0→-Bs→-Br→0→+Bs，形成一个对称于原点的回线。此回线即为铁磁材料的饱和磁滞回线，如图2 所示。
▲图2 铁磁物质的磁滞回线
由磁滞回线可以确定材料的一些重要磁学性能。Br为剩磁感应强度，也简称剩磁，表示铁磁体磁化到饱和后，去除外磁场时的感应强度；He(或HCB)为矫顽力，表示铁磁体磁饱和后，为了使剩磁消失所需施加的反向磁场强度，它反映铁磁体显示磁性的顽强性。在回线的第二象限的退磁曲线上，有一个B和H乘积最大的点，
这个点的（BH)m叫做最大磁能积，是衡量材料内部能够贮存能量大小的尺度。磁滞回线所包围的面积，表示单位体积材料磁化一个周期的能量损耗，叫做磁滞损耗。
铁磁体在反复进行饱和磁化和退磁时，H和B皆按饱和磁滞回线变化，OaS曲线只在完全退磁状态（H,B=0)磁化时出现，所以叫做起始磁化曲线。在磁化未达饱和时，如从起始磁化曲线上任一点进行退磁，则磁场经由H→0→-H→0→H，B的变化皆形成小磁滞回线（见图2中的aba'ca小回线）。小回线顶点的Bm叫做最大磁感应强度，小回线顶点的连线即构成起始磁化曲线。欲使铁磁体彻底退磁，必须施加不断降低幅度的周期性磁场。按照磁滞回线的形状（见图2)和基本磁特性，磁性合金大体上分为两大类：矫顽力He 大、磁滞回线宽的硬磁合金和矫顽力He小、磁滞回线窄的软磁合金。
▲图3 硬磁和软磁合金的磁滞回线
1.3 磁畴
理论和实验证明，铁磁体是由大量的微小磁区组成的，如图4所示。
▲图4 铁磁合金磁畴示意图
这些磁区叫做磁畴，体积约为10E-6mm³含有约10E15个原子；宽度为0.01-0.1mm，原子有10万个以上。每个磁畴内原子的磁矩平行排列，皆有一个永久磁矩。磁畴和磁畴的边界叫做畴壁。畴壁的厚度约0.1μm，有约1000个原子层，其取向为从一个磁畴磁化方向逐步向另一磁畴磁化方向的过渡，如图5所示。
▲图5 铁磁体磁畴壁结构示意图
铁磁体的每个磁畴都是自发磁化到饱和的小磁铁。过渡族元素如铁、钴、镍等的3d层都没有填满电子，相应有4, 3, 2个电子自旋磁矩未被抵消，因此产生原子磁矩。另外，当原子相互接近时，它们的电子发生相互交换，若自旋反向平行排列比同向平行排列的能量高，即交换能为正值时，未被抵消的电子自旋磁矩将自发地排向同一方向，发生自发磁化，形成磁畴，如图6所示。
交换能的正负决定于原子间距离和未填满壳层的直径。计算表明，只有在原子间距a和3d层半径r的比值大于3时，交换能才为正值（铁、钴、镍的交换能均为较大的正值）。因此，原子存在未抵消的电子自旋磁矩和电子交换能为正值，是磁畴形成的必要条件和充分条件，它们同时也反映了铁磁材料原子结构的特点。铁磁体在完全退磁状态下，磁畴的磁化方向混乱分布，磁矩完全相互抵消，因而材料在宏观上不显示磁性。当施加外磁场时，那些磁化方向平行于外磁场的磁畴，以由原子磁矩转动所引起的畴壁移动的方式（见图7)，吞并反向磁畴而逐渐长大，最后使整个磁畴沿磁场方向排列。在去除外磁场后，如果磁畴的取向不能恢复
原来的状态，则材料继续显示磁性，而产生剩磁。
▲图7 畴壁移动示意图
由于存在磁畴，铁磁体在外磁场中无需依靠每个原子磁矩转动，使方向与磁场方向一致，而可由已自发磁化到饱和的磁畴为磁化单元，借助于所产生的附加磁场很容易地进行磁化。此外，在居里温度以上，由于热骚动大，磁畴消失，磁化极困难，铁磁体变成顺磁体而不显示磁性。
1.4 几种磁能
磁畴除了主要决定于交换能外，它的取向和结构还与原子间磁的相互作用有关。这种相互作用主要表现为以下三种磁能。
1.4.1 磁品各向异性能
由于晶体的各向异性，铁沿［100]、镍沿［111]、钴沿C轴方向磁化，在最弱的磁场中也可达到磁饱和，即达到磁饱和所需的磁场能最低值。这些方向为易磁化方向。而铁的［111]、镍的［100]、钴的六方底面（0001)的各方向为难磁化方向。沿不同晶向磁化的难易程度不同，即所需能量不同的现象叫做磁晶各向异性。沿难磁化和易磁化方向磁化的磁化功的差称为磁晶各向异性能，其大小等于该两晶向磁化曲线所包围的面积。为了使磁能量最低，磁畴自发磁化趋向于易磁化方向，而铁磁体沿易磁化方向的磁性最好。
1.4.2 磁弹性能
铁磁体在磁场中磁化时尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩。磁化时铁沿磁化方向伸长，镍则沿磁化方向缩短，而一般铁磁材料的体积变化很小。磁致伸缩和磁晶各向异性的起源相同，是由电子的自旋和轨道磁矩的耦合作用引起的。
磁致伸缩在磁体内造成应力，影响磁化过程的进行。沿磁场方向的拉应力，促进磁化，使磁化所需能量减小；垂直磁场方向的拉应力则阻碍磁化，使磁化所需能量增大。由磁致伸缩引起应力，导致促进或阻碍磁化的能量，叫做磁致伸缩能，或磁弹性能。
1.4.3 静磁能
铁磁体与磁场的相互作用能称为静磁能。它包括外磁场能和退磁场能两个方面。外磁场能是铁磁体与外磁场的相互作用能，它使磁体（或磁畴）的磁化方向趋于磁场方向并达到磁饱和。退磁场能是铁磁体与自身退磁场的相互作用能。开路状态的铁磁体磁化后，产生磁极，在磁体内部形成减退外磁场作用的退磁场。退磁场能与磁体形状和磁化强度有关，使退磁因子（取决于磁体的几何形状）小的方向成为易磁化方向。
2 软磁合金的热处理
软磁合金主要用于制造电力和电子工业中的信息变换、传递和存储元件等。对它的基本要求是：矫顽力He 小（磁滞损耗小，效率高），饱和磁感应强度Bs高（储能高），初始和最大磁导率μi、μm高（灵敏度高），以及性能的稳定性好。软磁合金的磁滞回线都很窄。在许多具体情况下，还要求合金具有较高的耐蚀性、耐磨性，一定的机械强度，给定的线膨胀特性等物理、化学、力学性能。软磁合金的磁导率、矫顽力和磁滞损耗等是很强的组织敏感性能，对合金中的杂质和非金属夹杂、晶体结构、结构的择优取向、晶体缺陷、内应力等非常敏感，而上述各项又取决于合金的成分、加工方法和热处理制度。为了保证高的软磁性能，必须使合金的组织尽可能地趋近于平衡状态，获得大晶粒，并消除各种晶体缺陷。最合适的软磁合金是纯铁族金属（特别是纯铁），以及铁基或其他铁磁金属基的单相合金，而热处理则主要是各种形式的退火操作。主要的软磁合金有工业纯铁、硅钢、铁镍合金、铁铝合金以及新发展起来的非晶态合金等。
2.1 电工用纯铁
电工用纯铁有原料纯铁（DT1、DT2)、电磁纯铁（DT3、DT4、DT5、DT6)和电子管纯铁（DT7、DT8)等三种。它们的饱和磁感应强度高，磁导率高，矫顽力小，但电阻率低，铁损较大，是应用最早、易于加工和最便宜的软磁材料和原料。应用最广的为电磁纯铁，一般用于制造铁心、磁极、衔铁、磁屏等，它的成分、性能和应用特点见表1。
▼表1 电磁纯铁的牌号、成分、主要性能和应用特点
纯铁的磁性能与纯度有关。纯度越高，则软磁性能越好。影响最大的有害杂质是碳。它使磁导率下降，矫顽力提高，铁损增大，磁化困难（见图9)。
碳、氧、硅、锰等降低铁的饱和磁感应强度（见图10）。
▲图10 杂质对纯铁饱和磁感应强度的影响
溶解在纯铁的α相中时，间隙固溶杂质（如碳、氮、氧）的有害作用比置换固溶杂质（如硅、锰等）大。另外，碳、氮、氧还常以碳化物、氮化物、氧化物夹杂的形式出现在纯铁中。这时杂质对磁性能的影响，不仅与杂质的性质和数量有关，而且还与其颗粒大小、形状及分布有联系。杂质性质和基体差别越大，数量越多，颗粒越小，弥散度越大，呈针状或片状均匀分布时，对纯铁磁性能的破坏作用越大。尤其当杂质颗粒大小与畴壁厚度相当时，由于能阻碍畴壁的移动，使铁的磁化困难，而更降低其软磁性能。纯铁的热处理有以下几种：
2.1.1 人工时效
电工用纯铁在常温或150℃以下长期使用，特别是当温度较高时，超过溶解度的碳从α相中析出，形成细小弥散的弱磁性相Fe,C,使硬度提高，致使磁导率明显下降（30%~50%),铁损增大，矫顽力可能增大若干倍，这种现象叫做磁时效。氮和氧也能引起磁时效。为了避免发生磁时效，电工用纯铁在退火后，可以在130℃保温50h后空冷，或在100℃保温100h后炉冷，进行一次人工时效处理，使组织和性能稳定化。
2.1.2 高温净化退火
为了提高电工用铁的纯度，一方面冶炼时采用强烈的脱氧剂（如用Al或Si脱氧）真空去氧，以及真空重熔等先进工艺；另一方面就是在固态下在氢气中进行高温净化处理。在1200~1500℃的高温下长时间保温时，溶解在金属内部的碳、氮、氧、硫等杂质原子扩散到表面而被清除，它们的夹杂物（Fe3C、Fe4N、FeO和FeS)也可被还原而减少。一些不与氢起作用的少数杂质（如硅、锰、铜、铝）则保留在固溶体内，坏作用不大。采用高温真空退火处理，同样可得到净化效果。电工用纯铁经净化退火以后，由于杂质含量降低和晶粒粗化，软磁性能大大提高，最大磁导率可提高一个数量级。例如，纯铁在氢气中于1480℃保温18h后，缓慢冷却到880℃,再保温12h后缓慢冷至室温时，得到的磁导率μ≈25×10E-3H/m；μm=300×10E-3H/m。
2.1.3 去应力退火
冷加工造成纯铁内部多种晶体缺陷（位错、层错等），并引起内应力，增加磁畴壁运动的难度，使He增大，μm值降低（见图11)。
▲图11 冷变形对工业纯铁磁性能的影响
为了消除这些不良影响，可以进行去应力退火或再结晶退火。退火温度对磁性能的影响如图12所示。
▲图12 冷加工纯铁的磁性能与退火温度的关系
退火温度高，晶粒粗大，于磁性能有利，所以去应力退火一般采用不发生α-γ相变的最高温度，避免冷却时发生相变使晶粒细化。因此，纯铁消除冷加工应力通常采用的再结晶退火工艺制度是：在600℃以下装炉，随炉升温至800℃,再慢速加热到830~890℃,保温4h,然后以不大于50℃/h的冷速冷至700℃,最后随炉冷500℃以下出炉。整个退火在氢气或真空中进行。退火工艺曲线如图13所示。
▲图13 工业用纯铁的去应力退火工艺曲线
2.2 电工用硅钢
电工用硅钢实际上就是工业纯铁中含w(Si)1%~4.5%的铁硅合金。它在室温下具有含硅的单相铁素体组织。硅溶于铁中形成置换固溶体，引起晶格畸变，使电阻率增大，涡流损耗减少。晶格畸变也使矫顽力增大，但因硅钢在高温下可获得粗大晶粒，且冷却时无相变引起的晶粒细化，所以总结果仍使矫顽力降低。另外，硅能促进碳的离析并与氧化合，减轻碳、氧在铁中间隙固溶的强烈有害作用，增大磁导率，使磁化变得比较容易，并降低磁滞损耗；同时因减小了磁时效倾向，也提高了磁性能的稳定性。硅对磁性能的影响如图14 所示。但硅的加入使钢的脆性增大，导热性降低，使材料的成形加工性能变坏，所以含量一般不超过w(Si)4.5%。
▲图14 含硅量对电工用硅钢磁性能的影响
电工用硅钢磁感应强度较高，铁损（包括磁滞损耗和涡流损耗）较小，加工性能良好，主要用于制造电机和变压器的铁心，因此也常称电机钢或变压器钢，是用量最大的一种软磁材料。影响铁心硅钢片磁性能的主要因素，除了硅含量以外，还有成分中的杂质、结构的择优取向程度、应力状况和钢片厚度等。①硅钢中碳、氧、氮、硫等杂质的存在，均使磁性恶化，但少量磷的存在有利于获得粗晶，对磁性有益；②铁素体具有明显的磁晶各向异性，易磁化方向为（100)。当大多数晶粒的（110)面平行于硅钢片轧制时的轧面，［001]方向平行于轧向，形成高斯织构（110)[001]时，硅钢片沿轧向有良好的磁性，为单取向硅钢片；而当大多数晶粒的（100)面平行于轧向，一个［001]方向平行于轧向，另一个［010]方向垂直于轧向，形成立方织构（100)[001]时，则硅钢片沿轧向和垂直轧向均有良好的磁性，为双取向硅钢片；③磁性对应力比较敏感，加工过程中产生的任何应力均使磁性恶化；④硅钢片的厚度越大，涡流损耗也越大。所以，为了获得高磁性，硅钢片应该是杂质（特别是碳）少、晶粒大、取向度高的薄铁硅合金片。这就是硅钢片生产工艺安排的原则。高性能硅钢片的生产工艺是：冶炼出给定硅含量和最低碳含量（实际上一般约为w(C)0.05%)的钢坯，然后热轧成约2.5mm厚的钢带，最终冷轧为常用厚度0.5-0.35mm的薄钢片。冷轧之前要进行退火，并在此道工序中把碳降到w(C)0.02%以下；最后要进行成品的高温退火，以消除加工硬化和使晶粒粗化。这两种退火是硅钢片生产中最典型和最重要的热处理。如果冷轧变形度较大（45%~60%),得到的是有织构的组织，取向度约达90%;若冷轧变形较小（＜7%~10%)，则获得取向度小的组织。如果只在热态下轧制，则硅钢片得不到织构，沿轧向和垂直轧向的性能一样。因此，根据织构取向的特点，硅钢片分为无取向热轧硅钢片、低取向度冷轧硅钢片和取向冷轧硅钢片。它们的性能见表2。
▼表2 电工用硅钢片的磁性能
2.2.1 热轧硅钢片的热处理
热轧无取向硅钢片是含硅的低碳镇静钢板坯，经多次加热连续热轧或叠片热轧制成的。成品在连续式隧道炉、箱式炉或带钢连续炉中退火。退火温度和时间随硅钢片品种及生产工艺的不同，一般为700~1200℃和保温一天到数天，炉内通保护气体，通过去除应力、脱碳和品粒长大，使产品达到性能要求。热轧无取向硅钢片的性能不如冷轧取向硅钢片（见图15)，有逐渐被后者取代的趋势。
▲图15 热轧和冷轧取向硅钢片的磁性与取向的关系
2.2.2 冷轧无取向硅钢片的热处理
冷轧无取向实际上是低取向。冷轧硅钢片的磁性较高，厚度较均匀，表面质量较好。许多情况下（如电机用硅钢片）要求硅钢片磁各向同性，所以20世纪50年代以后出现了冷轧无取向硅钢片，并且发展很快。这种硅钢片目前一般采用一次冷轧或临界变形法生产，其工艺流程为：冶炼→铸锭→初轧开坯→热轧→酸洗→冷轧（→中间退火→临界变形）→成品热处理。生产方法的基本思想是：通过冷轧制度和最终热处理制度的适当配合，破坏择优取向，获得各向同性。一次冷轧法生产效率高，但因无中间退火的脱碳过程，难以保证高磁性。临界变形法是在冷轧中间退火后进行变形，破坏已产生的各向异性，同时获得大晶粒。压下率一般为8%~10%,但此法常保留一定的各向异性。中间退火在800~900℃干氢气或保护气氛中进行。①在900℃以下退火时，二次再结晶不能显著进行，磁各向异性不大，磁感应强度高；②最终退火温度高于1100℃时，由于发生α-γ转变，破坏了晶粒的择优取向，使磁各向异性降低。最终退火均在氢气或保护气氛中进行，采用罩式炉或连续炉处理。
2.2.3 冷轧取向硅钢片的热处理
为了获得高磁性的单取向硅钢片，钢中必须含有有利杂质。它们在850℃以下呈细小颗粒弥散分布在钢内，稳定地抑制晶粒长大；但在850℃以上能溶解于基体中，便于二次再结晶的进行，并可促进（110)[001]取向的优先长大，而在高温下则易分解而被去除。常用杂质为硫化物、氮化物和碳化物，如MnS、AlN、VC等。具有高斯织构的单取向冷轧硅钢片的典型生产流程为：冶炼→铸锭→开坯→热轧（至厚约2.2mm)→退火→酸洗→冷轧（至厚约0.7mm)→中间退火→冷轧→(至最终厚度0.35mm)→脱碳退火→成品退火→涂层→拉伸回火→成品。在这个生产过程中，热处理对产品的生产和最终性能都有极重要的作用，各道热处理的目的和工艺可以说明如下。
（1)黑退火，是将杂质（有利杂质除外）含量较少的热轧钢带，在冷轧之前，在760~780℃保温8~15h,然后炉冷。目的是将钢中的780℃保温8~15h,然后炉冷。目的是将钢中的w(C)脱至0.02%以下，以有利于以后促进获得高斯织构的杂质均匀析出，并获得细小的晶粒，为冷轧和后续工序作组织准备。
（2)中间退火，经第一次冷轧后，钢带即成为最后的冷轧坯带，同时获得冷轧（变形）织构，为再结晶织构的形成创造条件。中间退火一般在800~900℃进行，炉中通湿氢或分解氨，保温数分钟。目的是软化组织；为高斯织构的形成提供一定量的（110)[001]取向晶粒和可变为此种取向的（111)[112]取向晶粒；同时进一步脱碳，使w(C)降低到约0.01%.第二次冷轧后钢带达到最终尺寸，并获得更多更强的（111)[112]织构。
（3)脱碳退火，退火温度为780~830℃,一般采用连续炉通湿氢处理，使钢中w(C)降低到达0.008%以下；利用有利杂质对晶粒长大的阻碍作用；获得细小的再结晶晶粒；并使（110)[001]取向的晶粒增多，为二次再结晶生成高斯织构提供更多的晶核。
（4)成品退火，通常在电热罩式炉中的氢气、保护气氛或在真空下进行，温度为1150~1200℃或更高。在950~1100℃范围内控制加热速度，使杂质的溶解速度与（110)[001]取向晶粒的长大速度相适应，发生（110)[001]的择优长大。通过这样的二次再结晶，获得完善的、高取向度的高斯织构，并在更高的温度下去除杂质，得到粗大晶粒。典型的工艺制度如图16 所示。
▲图16 取向硅钢片最终退火工艺曲线
（5)拉伸回火，硅钢片涂绝缘层后要进行拉伸回火。回火温度为700~750℃，氢气保护，拉伸应力不大于10MPa,变形量不超过0.2%。回火的目的是矫正钢卷在高温退火中产生的板面弯曲和轧制时的翘变，并可使铁损降低和磁感应改善。除单取向外，还有具有立方织构的双取向硅钢片。其生产方法是，以高纯度单取向硅钢片为原料，采用两次冷轧（变形率为60%~70%),在1050℃进行中间退火，最终退火在1150~1200℃进行，保温7~10h。此法生产的成品取向度高，但厚度不能超过0.20mm，大厚度双取向硅钢片采用柱状晶法生产。将坯带顺其柱晶轴向热轧，然后在高真空或干氢中进行长时间高温（1200~1300℃)退火，使w(C)脱至约0.002%,并以40%的压下率冷轧。这种方法获得的立方织构的取向度较低。目前，双取向硅钢片应用还不多。
2.3 铁镍合金
铁镍软磁合金常称坡莫合金。与纯铁和电工钢相比，它的特点是，在弱磁场中有很高的磁导率和很低的矫顽力，磁损也小，常具有矩形磁滞回线；广泛应用于电信、计算机和控制系统。图17为铁镍合金相图。w(Ni)<30%时，合金中有α-γ相变，w(C)>30%时，合金呈单相γ固溶体状态，加热和冷却时不发生γ→α相变。当冷却经过居里点时，合金由顺磁性γ相转变为铁磁性γ相。含约w(Ni)79.5%的合金缓慢冷却时，在506℃时发生有序化转变，形成“超结构”相FeNi3。此有序化转变与合金中的其他元素和冷却速度有关。Mo、Cu、Cr等阻碍有序化过程的发展，使有序化转变温度下降，Mn等则相反。在转变温度范围内，改变冷却速度可以控制有序化发展的程度。
▲图17 铁镍合金相图
图18 展示各种磁性能与合金镍含量的关系。w(Ni)78%~80%的合金的饱和磁致伸缩系数λ，和磁晶各向异性常数K1都接近于零，初始及最大磁导率μi和μm都具有极大值；w(Ni)50%的合金的饱和磁感应强度B,值高，电阻率ρ也高；含w(Ni)65%的合金的居里点te最高，有利于获得较好的磁场热处理效果。这些铁镍合金都是优良的导磁合金。
▲图18 铁镍合金的各种磁性能与镍含量的关系
铁镍软磁合金的种类较多，根据其特性和用途可进行表3所示的分类。它们的主要成分和性能见表4。
▼表3 铁镍合金的主要成分和磁性能（厚度0.05-0.09mm）
合金的磁性能除了决定于成分、成分的均匀性和杂质状态以外，许多组织敏感性能还取决于组织结构、结构的均匀性、结构的取向特性、晶格畸变状态和晶粒大小等，所以磁性合金要进行热处理。对于各向异性合金，特别是矩磁合金和恒磁合金，还要进行磁场热处理。铁镍合金的热处理主要有三种。
2.3.1 中间退火
铁镍合金的塑性很好，可以冷轧成薄带或极薄带（如高频用厚0.01~0.005mm的薄带）。薄带由多次冷轧获得，变形量较大，对于1J50类合金，采用中等压下率，压下率一般为60%~80%.为了进一步变形加工，必须进行中间退火。为了改善磁性元件机械加工的工艺性能，也应进行预先热处理（退火）。这类中间退火或预先热处理均在真空或氢气中进行。加热温度为850~870℃,保温1~4h，然后以200~300℃/h的冷速冷至600℃,再空冷或炉冷。
2.3.2 高温退火
软磁合金的最终热处理多为高温退火，目的在于消除应力，净化成分，获得均匀的组织，调整和提高磁性能。（1)退火介质。软磁合金的高温退火必须在保护气氛（通常用氢）或真空中进行，以防氧化并去除杂质。在氢气中，温度越高，薄带厚度越小，杂质越易于从内部扩散到表面而被清除。氢的纯度越高，流量越大，去除杂质的效果越好。氢气应干燥，露点在－40℃以下。在真空中，溶解在合金中的气体较易从表面逸出，一些杂质化合物也较易分解挥发，使合金净化。真空度和温度越高，净化效果越好。一般，真空度应不低于1.33Pa。
实践表明，非真空冶炼的合金，采用真空处理效果较好；而真空冶炼的合金，以采用氢气处理较为适宜。厚度小于0.05mm的薄带，特别是含铬、硅的合金，对氢纯度要求较高，不论真空或非真空冶炼，一般以真空热处理为好。但若有高纯氢气，由于其高温下的还原能力很强，则无论何种方法冶炼的合金，氢气退火更为适宜。在氢气中处理时，要注意合金的渗氢问题。为此，必须采取缓冷或氢气－真空双联处理，以保证磁性能和力学性能不受影响。
（2)加热条件。加热速度对软磁合金一般不很重要。为了最好地消除应力，净化成分，获得要求的组织和较好的磁性能，铁镍合金的退火温度都选定在1000~1300℃之间。提高退火温度可显著提高合金的磁导率（见图19)，明显地降低矫顽力。
▲图19 w（ni）45%的铁镍合金的磁导率与退火温度的关系
但温度过高时会引起变形。除超低矫顽力合金的退火温度为1300℃外，一般高导磁铁镍合金的退火温度多在1100℃左右。对于要求具有矩磁特性的铁镍合金，因经过较大的冷轧变形，压下率常在95%以上，为了避免织构的破坏，退火温度可以低一些，常选在1000℃以下，图20 和图21 展示退火温度对Ni29Mo4合金的磁导率、矫顽力和矩形比的影响。采用较低的退火温度，对合金的力学性能和防止变形也较为有利。
▲图20 退火温度对Ni79Mo4合金导磁率的影响
▲图21 退火温度对Ni79Mo4合金矫顽力和矩形比的影响
退火保温时间与合金的类型、元件尺寸、装炉量、性能的要求等因素有关，一般为3~6h;矩磁合金的时间为2h左右。
（3)冷却制度。退火加热后的冷却方法对铁镍软磁合金的磁性具有极重要的作用。合金的有序化程度直接影响磁晶各向异性常数K和磁致伸缩系数λ，因而影响磁导率μ的大小。从退火温度1100℃到接近有序化转变温度600℃,一般采用150~200℃/h的冷却速度，平稳地进行冷却。冷速不宜超过250℃/h,以免产生内应力，导致磁性下降。在有序化转变温度范围（600~400℃)内，冷却速度尤须适当，以使K值和λ值趋近于零或足够小，得到尽可能高的磁导率μ。图22示出不同成分的Ni-Fe-Mo合金磁导率与退火冷却速度的关系。它表明随合金中铝含量的增加，对应于最大初始磁导率的最佳冷却速度降低。这是钳阻止FeNi,有序相形成的结果。
▲图22 Ni-Fe-Mo合金的导磁率与冷却速度和钼含量的关系
图23 示出Ni-Fe-Mo合金的镍含量对最佳冷却速度的影响。可见镍含量越高，获得高磁导率的冷却速度越大。一般，对于w(Ni)<65%的合金，由于有序化转变不明显，冷却速度的作用不大，允许采用较快的冷却速度，但以不引起较大内应力为原则。
▲图23 Ni-Fe-Mo合金中镍含量对最佳冷却速度的影响
2.3.3 磁场退火
有些软磁合金在高温退火之后还要进行磁场退火。磁场退火有两种方法：一种是将合金重新加热到居里点以上约50°C（600℃左右），保温一段时间后，在磁场中缓慢冷却；第二种是加热到居里点以下一定温度（400℃左右），加磁场并保温较长时间，再进行冷却。后者叫做等温磁场退火。经过磁场退火后，合金中的磁畴采取与外磁场方向一致的分布，形成磁织构，显示出在外磁场方向上的单轴各向异性，沿磁场方向和垂直磁场方向的磁性能产生明显的差异。图24是w(Ni)50%的铁镍合金经一般退火和磁场退火后的磁导率变化曲线。
▲图24 w（Ni）50%D 铁镍合金的导磁率经热处理后的变化
矩磁合金通常进行纵向磁场退火，即热处理时使磁场方向与应用时的磁化方向一致。退火后合金的μ值和Br值提高（图24中曲线a在曲线b之上），H,和铁损降低，矩形比Br/Bm增大，磁滞回线呈矩形，如图25所示。
▲图25 w（Ni）65%的铁镍合金的磁滞回线
恒磁合金则进行横向磁场退火，使磁场方向与应用时的磁化方向垂直。这时合金的μ值和Br值下降（图24 中曲线c在曲线b之下），磁滞回线呈扁平状，μ值在一定磁场强度范围内变化不大。必须提出的是，磁场退火前、高温退火后的合金应处于无序状态，以保证随后在磁场的作用下形成磁织构。否则，由于有序状态下结构稳定而使磁场火的效果降低。另外，合金的居里点对磁场退火的效果有影响。居里点低时，因磁场退火的温度较低，形成磁织构所必需的原子扩散较为困难，磁场热处理的效果较小。对于依靠磁场热处理产生磁各向异性的合金，居里点越高效果越大。图26表明合金的最大磁导率与居里点的对应关系。
▲图26 铁镍合金最大导磁率范围与居里温度的关系
常用高导率、矩磁和恒磁铁镍合金推荐的热处理工艺见表4。
2.4 铁铝合金
铁铝合金是一类较重要的软磁合金。它具有较高的磁导率，密度较小，电阻率较高，铁损小，硬度高，耐磨性好，有较好的防锈和耐锈性能，对应力不敏感，抗振动和耐冲击性能好，磁时效不严重。价格也比较便宜。但铝含量较高（超过w(Al)10%)时，合金变脆，塑性降低，加工比较困难。w(Al)<34.4%的铁铝合金在高温下的组织皆为含铝铁素体。在这个成分范围内，随铝含量和温度的变化，合金中发生FeAl和Fe3Al的有序转变和磁性转变（见图27)。改变成分和进行热处理，可以显著改变铁铝合金的磁性能。图28显示主要磁性能的变化。
▲图27 铁铝合金相图（左下部分）
▲图28 铁铝合金主要磁性能以及有关性能（分图a、b、c、d)随铝含量的变化
由图可见，高导磁合金的铝含量（质量分数）应为16%或12%(图28a)；高磁致伸缩合金的铝含量质量分数为14%(图28c)；高磁感应合金的铝含量（质量分数）约为6%(图28b) 。按照性能特点和用途，我国生产的铁铝磁性合金主要有四种牌号，其铝含量范围、特点和用途见表5;主要性能见表6。
铁铝合金的生产工艺流程是：真空冶炼→钢锭剥皮→锻造→热轧→温轧（1J12、1J13、1J16)或冷轧（1J6)→软化处理→成品加工→最终热处理→测试→包装。在这个流程中，热处理有以下几个过程。
2.4.1 软化处理
1J6、1J13和1J12经温轧或热轧制成的带材，因铝含量较高而较硬较脆，进行冲、剪、弯等加工之前，必须先经过软化处理，降低硬度，提高塑性。软化处理的推荐工艺见表7。软化退火温度不高，且合金的抗氧化性能较好，加热可以在空气中进行。铁铝合金即使进行了软化处理，其加工还是比铁镍合金更耗费模具。1J6的加工塑性较好，一般可不进行软化处理。
▼表7 铁铝合金带软化处理工艺
2.4.2 最终热处理
（1)退火介质。处理在保护气氛中进行。这除了使合金进一步净化外，还可防止铝的渗氨和高温挥发。目前较多采用氢气气氛，效果较好。炉内气氛的露点应在－60℃以下。也可采用真空。在空气中处理时，合金的磁性能下降。
（2)加热条件。升温速度对磁性影响不大，多随炉升温，时间约2h.在再结晶温度（约750℃)附近放慢升温速度对晶粒长大有利，于磁性也有好处。高温退火的目的是使轧制后的合金发生再结晶，消除加工硬化；通过扩散实现净化；获得无序的结构状态和粗化品粒，为使产品最终获得高磁性创造条件。加热温度应远高于图27中FeAl的有序无序转变温度。例如，1J16和1J13的退火温度多定在1100℃左右，保温时间一般采用2h;温度低时采用3h。
（3)冷却规范。加热后进行炉冷，冷却速度约为100℃/h.炉冷比控制降低的效果好。冷却规范对合金的性能有重要作用。各种牌号铁铝合金的性能要求相差较大，它们的冷却方法有明显的不同。
1J16要求高的磁导率和低的矫顽力，希望各向异性常数Ki和饱和磁致伸缩系数λs同时具有较低值。根据图27,可由快冷（或淬火）来控制合金的有序度。关键是掌握快冷开始温度。温度过高应力太大，过低则有序度过高，一般以600~700℃开始快冷较为适宜。实践表明，在650℃淬火μi和μm都最大。为了保证淬火速度，可采用冰水作冷却介质，生产上也可采用冰盐水、水、油或其他冷却剂。
1J13要求高的饱和磁致伸缩系数λ。所以合金冷却时，在730℃附近必须缓慢进行，使α相有序化；而在520℃左右更缓慢进行，以使其转变为Fe3Al有序结构。实验表明，这个合金在氢气中以小于250℃/h的速度冷却通过520℃时，可以获得最大的磁致伸缩系数。
1J12要求兼有较高的磁导率和磁感应强度。根据图27,冷却时合金在约470℃发生磁性α无序固溶体向磁性Fe3Al有序固溶体的转变。如果从470℃以上缓慢冷却，当有序化较充分时，各向异性常数Ki 趋于零值（见图28c),有利于获得高磁导率（见图28a).如果较快冷却（淬火），则Ki 值较大，磁导率降低。饱和磁致伸缩系数λs 的情况与磁导率相反（见图128c)。可见Ki与λs 不能同时都趋于零。为了获得最佳磁性能，确定最佳冷却制度，特别是Fe3Al有序化温度以下的冷却速度或冷却温度，具有重要意义。目前主要依靠试验来确定。1J6要求具有高的饱和磁感应强度。合金在热处理过程中不发生有序化转变。一般采用比较简单的缓慢冷却方法。出炉温度较低，以降低矫顽力和提高磁导率。为了提高磁性，退火后进行一次磁场热处理。其工艺为：在氢气中重新加热至700-750℃,外加1200~1600A/m的磁场，保温2~4h，然后以50℃/h的速度冷却到250℃出炉。
2.4.3 时效处理
1J16的温度稳定性不够理想。为了改善其温度稳定性，方法之一是进行人工时效处理。工艺为50~150℃保温10~20h。
2.5 非晶态合金
20世纪50年代出现非晶态合金（又称金属玻璃）。之后不久一直到现在，非品态合金都是研究和开发的一个热点。由铁族金属（Fe、Co、Ni等）和类金属（B、Si、P等）用液态急冷（冷速达10°℃/s以上）法等制备的非晶态合金，由于无晶界和磁晶各向异性，不存在磁畴壁移动的障碍，容易磁化；同时因为电阻率高，涡流损耗也小，所以表现出优良的软磁特性，以及良好的耐蚀、耐磨性能。目前已取得实用的金属玻璃有两类：
①高磁感应强度的非晶态软磁材料，主要是Fe-B系或Fe-B-Si系合金，为了提高磁导率和磁感应强度，并降低矫顽力，加入一定量的Co,这类合金多用于电力变压器和电机，以及电源变压器、开关电源、脉冲变压器和电抗器等；
②高磁导率的非晶态软磁材料，基本上是Co-Fe-B系和Ni-Fe-B系合金，主要用于无线电和仪器仪表工业中的信息敏感器件和小功率器件，如磁屏蔽、磁头、高频开关电源、磁弹传感器、漏电保护开关、磁调节器、小功率脉冲变压器和小功率瓦特表等。以上两类非晶态软磁合金的基本电磁性能见表9。
▼表9 非晶态软磁合金的基本电磁性能
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