降低软磁材料矫顽力退火的具体原理是什么

 磁测相关知识     |      2025-07-04 14:04:08

       降低软磁材料矫顽力的退火工艺,其核心原理是通过热作用消除材料内部的 “磁畴壁移动障碍”,从而降低反向磁场下磁畴翻转的阻力。具体可从以下几个关键机制展开:

一、消除内应力,减少应力诱导的磁各向异性

       软磁材料在轧制、冲压、切割等加工过程中,会产生大量内应力(如位错堆积、晶格畸变)。这些应力会通过 “磁弹耦合效应” 改变局部磁畴的能量状态 —— 应力集中区域会形成附加的磁各向异性,导致磁畴壁在移动时需要克服额外的应力阻力,进而使矫顽力升高。

       退火时,材料在高温下获得足够的原子活动能,位错会发生滑移、攀移或湮灭,晶格畸变逐渐平复,内应力被释放。当应力消除后,应力诱导的磁各向异性随之减弱,磁畴壁移动的阻力降低,矫顽力自然下降。例如,冷轧硅钢片经退火后,内应力可减少 90% 以上,矫顽力可降低 30%-50%。

二、优化晶粒结构,促进磁畴壁顺畅移动

       软磁材料的矫顽力与晶粒尺寸、晶粒取向密切相关:

1、晶粒尺寸调控:

       细小晶粒(尤其是亚微米级)的晶界数量多,而晶界是磁畴壁移动的主要障碍(晶界两侧磁畴取向差异大,壁移动时需克服界面能)。退火可通过 “再结晶” 或 “晶粒长大” 使细小晶粒合并为较大晶粒(如纯铁退火后晶粒尺寸可从几微米增至几十微米),减少晶界密度,降低磁畴壁穿越晶界的阻力。但需注意,晶粒过大(如超过 100 微米)可能因磁畴结构复杂化导致矫顽力回升,因此需控制退火温度和时间以获得最优晶粒尺寸。

2、晶粒取向优化:

       对于取向硅钢等材料,高温退火可通过 “二次再结晶” 促进 {110}<001 > 织构(高斯织构)的形成。这种取向使材料在轧制方向上的磁导率显著提高,磁畴壁沿易磁化方向移动时阻力更小,从而降低矫顽力。例如,取向硅钢经 1100℃高温退火后,高斯织构比例可达 90% 以上,矫顽力可降至无取向硅钢的 1/3-1/2。

三、减少磁畴钉扎中心,降低局部阻碍

       材料内部的杂质(如氧化物、碳化物)、空位、位错等缺陷,会成为磁畴壁的 “钉扎中心”—— 磁畴壁移动到缺陷附近时,会被缺陷产生的局部磁场或应力场束缚,必须施加更高的反向磁场才能脱离,导致矫顽力升高。

       退火过程中,高温会促进杂质原子的扩散:例如,低碳钢中的碳会扩散并以渗碳体(Fe₃C)形式析出,或在还原性气氛(如氢气)中与氧结合形成 CO/CO₂排出,减少固溶态杂质;纳米晶软磁材料中的空位会在高温下迁移并复合湮灭。这些变化使钉扎中心数量减少,磁畴壁可更顺畅地移动,矫顽力随之降低。

四、调控非晶 / 纳米晶的微观结构(针对非晶态材料)

       对于铁基非晶或纳米晶软磁材料,其矫顽力与亚稳态结构的稳定性直接相关:

       非晶带材(如 Fe-Si-B)在淬火过程中因快速冷却形成无序结构,内部存在大量淬火应力。退火时(温度低于晶化点),原子可进行短程扩散,使局部原子排列更有序,应力逐渐释放,同时避免晶化(结晶会引入晶界等钉扎中心),从而降低矫顽力。

       纳米晶带材(如 Fe-Si-B-Nb-Cu)的退火需精准控制在 “晶化温度区间”,促使纳米级 α-Fe 晶粒均匀析出(尺寸 10-20nm)。这种超细晶粒的晶界体积分数虽高,但因晶粒尺寸远小于磁畴壁厚度(约 0.1μm),晶界对磁畴壁的钉扎作用被弱化;同时,退火消除了淬火应力,最终使矫顽力降至极低水平(可低至 1A/m 以下)。

       综上,退火通过消除内应力、优化晶粒结构、减少钉扎中心等多途径协同作用,降低磁畴壁移动的阻力,从而实现软磁材料矫顽力的有效降低。不同材料的工艺差异(如温度、时间、气氛),本质上是为了匹配其微观结构特点,最大化上述机制的效果。