[科普中國(guó)]-磁性合金

產(chǎn)生磁性的原因

物質(zhì)的磁性與其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。反磁性金屬的原子中電子都已成對(duì)，正、反自旋的電子數(shù)目相等，由電子自旋而產(chǎn)生的磁矩互相抵消，因此原子磁矩為零，故不為外磁場(chǎng)所吸引。順磁性金屬原子中，正反自旋的電子數(shù)目不等，原子的磁矩不為零。由于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的方向各異。放入磁場(chǎng)時(shí)，原子磁矩沿磁場(chǎng)方向取向而略有偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出微弱的磁化，除去外磁場(chǎng)，原子磁矩又混亂分布，磁化消失。

鐵磁性的起源和順磁性相似，來(lái)自原子中未成對(duì)的電子。但在鐵磁性材料內(nèi)部還存在著稱為“磁疇”的許多局部小區(qū)域，在這些小區(qū)域內(nèi)，相鄰的原子磁矩取向一致，趨于相互平等的排列；而各磁疇間的自發(fā)磁化方向是無(wú)序的，因此整塊材料的宏觀磁矩為零，對(duì)外不顯示磁性。當(dāng)處于磁場(chǎng)中時(shí)，各磁疇的磁矩會(huì)在一定程度上沿磁場(chǎng)方向排列，這樣，一個(gè)磁疇沿磁場(chǎng)順排一次就相當(dāng)于許多原子磁矩的順排。因此鐵磁性材料與磁場(chǎng)間的相互作用，要比順磁性物質(zhì)大得多。除去外磁場(chǎng)，各磁疇仍力圖盡可能保持原有磁場(chǎng)存在時(shí)所形成的取向，此時(shí)磁疇取得的部分順排，就使材料保持有殘留磁性，于是，該材料就“永久”磁化了。用一塊永久鐵摩擦鐵磁材料，即可使之永久磁化。永磁材料的磁性，也可因加熱或猛烈的撞擊使磁疇方向變得無(wú)序而被破壞。

磁性參數(shù)與技術(shù)磁性磁性合金廣泛地應(yīng)用于電力、電信、機(jī)械電子、儀表和計(jì)算技術(shù)等工業(yè)中，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的材料。磁性參數(shù)和技術(shù)磁性是衡量磁性合金性能優(yōu)劣的技術(shù)參數(shù)，如飽和磁化強(qiáng)度Ms（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs）、剩余磁化強(qiáng)度Mr（剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br）、矯頑力、各種磁導(dǎo)率、矩形比、磁滯損耗等等都反映在合金的磁化曲線和磁滯回線上（見圖1）。不同的磁性合金有不同的磁化曲線和磁滯回線，適用于不同器件的設(shè)計(jì)應(yīng)用。這些是磁性合金的技術(shù)磁性。它與外界條件的影響和磁性狀態(tài)的改變密切相關(guān)，涉及到合金內(nèi)部磁疇的成因和結(jié)構(gòu)，以及磁疇在各種條件（如外磁場(chǎng)、應(yīng)力、溫度等）下的運(yùn)動(dòng)和變化。2

磁性合金分類根據(jù)加工成型工藝磁性合金可分為冷加工和熱加工型（大部分磁性合金屬于此類）、鑄造型（如鋁鎳鈷永磁合金）和粉末冶金型（如稀土永磁合金）磁性合金。按原子組態(tài)可分為結(jié)晶態(tài)型（傳統(tǒng)的磁性合金均屬于此類）和非晶態(tài)型磁性合金，以及納米晶型磁性合金。傳統(tǒng)上，磁性合金按照磁性能，可分為軟磁合金、永磁合金和半硬磁合金，還有磁致伸縮合金和磁記錄材料。

（1）軟磁合金。矯頑力Hc20kA/m的磁性合金，包括鋁鎳鈷系合金、鐵鉻鈷合金、可變形永磁合金、鉑鈷合金及稀土永磁合金等。這類合金的特點(diǎn)是矯頑力高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高、磁滯回線寬且近似于方形，以保證具有高的最大磁能積（BH）max。這類合金在磁化后，去除磁化場(chǎng)時(shí)磁化狀態(tài)基本保持不變，即不易退磁，具有一定的磁“硬”度，故又稱硬磁合金。該類合金廣泛用于電磁式儀表、示波器、揚(yáng)聲器、行波管、陀螺儀、繼電器、斷路器、磁選機(jī)、磁軸承、磁性耦合器、核磁共振成像儀、音像和通信設(shè)備及磁化節(jié)能設(shè)備等。

（3）半硬磁合金。包括磁滯合金、簧片開關(guān)合金、繼電器鐵心和存貯器元件材料等。這類合金的矯頑力要求不高，介于軟磁合金和永磁合金之間。它們是在磁性隨著外磁場(chǎng)變化的條件下工作的，要求合金在一定的磁場(chǎng)下具有高的Br和盡可能大的磁滯回線面積，即有較大的磁滯損耗。這類合金主要用于制作磁滯電機(jī)轉(zhuǎn)子、繼電器鐵心、簧片開關(guān)元件及存貯器元件等。

（4）磁致伸縮合金。具有大磁致伸縮系數(shù)的磁性合金，包括純鎳、鐵鈷合金、鐵鋁合金及稀土鐵合金。這類合金的矯頑力不高，但具有很高的飽和磁致伸縮值，主要用于超聲波發(fā)射和接收、聲納系統(tǒng)、電機(jī)械濾波器、精密控制系統(tǒng)、各種閥門、驅(qū)動(dòng)器等。

（5）磁記錄材料。用于計(jì)算機(jī)作記錄、存貯和再生信息的材料，包括磁頭用合金和磁記錄介質(zhì)材料。磁頭用的磁性合金有鐵鎳系的坡莫合金、鐵鋁合金、鐵硅鋁系的森達(dá)斯特合金和鈷基非晶態(tài)合金等。用做磁記錄介質(zhì)的有鐵、鈷、鎳的合金粉涂層和用電鍍、化學(xué)或蒸發(fā)的方法制成的鈷鎳、鈷鉻等磁性合金薄膜等。

實(shí)際應(yīng)用金屬中組成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。目前使用的永磁合金有稀土-鈷系、鐵-鉻-鈷系和錳-鋁-碳系合金。其中稀土系列已經(jīng)歷三代。第一代永磁材料是以RECo5為代表（RE表示稀土元素），以SmCo5性能最好；以后出現(xiàn)減少稀土用量的第二代永磁材料Sm2Co17等；80年代開發(fā)成功的Nd-Fe-B釹鐵硼是第三代，其中主要成份是鐵（約占2/3），成本顯著降低，性能更好。我國(guó)生產(chǎn)的釹鐵硼合金的磁性能，在國(guó)際上于領(lǐng)先地位。磁性合金在電力、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和電光學(xué)等新興技術(shù)領(lǐng)域中，有著日益廣泛的應(yīng)用。