坡莫合金

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permalloy

简介

镍含量为35%～90%，并含有少量其他合金元素的高磁导率镍铁合金。这类合金最早是以在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力而著称，后来发展成可以利用调整成分和采用适当工艺，在很宽的范围内控制磁性和磁滞回线形状，其磁导率和矫顽力达到10³～10⁴倍的变化，并具有高硬度、高电阻率、低损耗等各种特性的合金。

简史 1913年美国人埃尔门(G. W. Elmen)发现，30%～90%Ni-Fe合金在弱、中磁场下具有良好的软磁特性，其中含镍78%的镍铁合金的起始磁导率μ_i最高，遂命名为坡莫合金(permalloy)，意即导磁合金。他还发现了进一步提高50%～90%Ni-Fe合金起始磁导率的特殊热处理工艺，称为“坡莫合金热处理”。1921年78% Ni-Fe合金被用于电话继电器。1924年英国人史密斯(Smith)等发明了添加铜、铬的76% Ni-Fe合金，称为“Mumetal”(英国Telcon公司生产)。1931年美国人延森(T. D. Yensen)发明了用真空熔炼和氢气高温退火的工艺，以净化合金，并发展了商品牌号为Hipernik的超级镍铁合金。1934年美国人凯萨尔(G.A. Kelsall)发现磁场热处理可明显提高铁镍合金的最大磁导率，65%Ni-Fe (65坡莫合金)经磁场热处理后，μmax提高约10倍。1947年美国人波佐思(R. M. Bo-zorth)等发明了μi和μm最高的合金，称超坡莫合金。60年代初，中国钢铁研究总院发明了用横向磁场处理和加适量氧气的方法，制得了B_r和H_c接近于零，磁导率非常恒定的65%Ni-Fe合金(中国牌号1J66)。70年代以后，为适应高频开关电源和磁记录技术发展的需要，在含高镍的镍铁合金中加入铌、钽、钒、钨、钛、硅和铝等各种元素制得了高硬度、高电阻率、低损耗的高磁导率合金，成为软磁合金中性能类型最多，品种和用途最广，最具代表性的合金。

结构和磁性 镍含量在30%以上的镍铁合金，在室温时都为单相的面心立方(γ)结构，但在30%Ni附近的单相结构很不稳定，因此实用的铁镍软磁合金，含镍量都在36%以上。铁镍合金在含镍75%(原子分数)附近，在此单相合金中会发生Ni3Fe长程有序转变，这时合金的点阵常数和物理性质，如电阻率和磁性等都会发生变化。因此，要考虑有序转变对性能的影响。通常在Ni₃Fe合金中加入少量Mo或Cu等附加元素，以抑制长程有序的生成。

图1 镍铁合金的饱和磁化强度J_s，居里温度T_c，单轴各向异性K_u和磁晶各向异性常数K₁和磁致伸缩λ与成分的关系

磁性与其成分、加工工艺和最终热处理的关系图1示出二元镍铁合金的饱和磁化强度J_s、居里温度T_c、磁晶各向异性K₁及磁致伸缩常数λ_s与镍含量的关系。图2示出Ni-(Fe+Cu)-Mo合金的K₁和λ与成分和热处理冷却速度的关系。图3示出由轧制和磁退火工艺得到的单轴各向异性常数Ku₁、Ku₂随镍含量的变化。由图可知，K₁不仅依赖于成分，且与Ni₃Fe的短程有序(为热处理冷却速度所控制)有关。λ基本上由成分决定，仅在Ni₃Fe的成分处，冷却速度才对λ₁₁₁和λ₁₀₀有少许影响。低于T_c以下温度磁场热处理时产生的Ku₂要比滑移形变(冷轧时)产生的Ku1小一个数量级。Ku₁和Ku₂都是单轴各向异性，所以当沿其择优方向磁化时可得到矩形磁滞回线，而沿垂直方向磁化可得到低B_r的扁平回线。对镍含量为70%～80%的合金，其K₁≤0，易磁化方向为〈111〉，需避免{100}〈001〉立方织构、混乱取向的随机织构。而镍为45%～68%的合金K₁>0、易磁化方向为〈100〉，故为获得高磁性，应尽量获得立方织构。具体可采用大压下量冷轧和较低温度(900～1050℃)退火。坡莫合金的最终退火应在不含氧，露点在-40℃以下的纯氢气氛中或在真空度达10^-2～10^-3Pa的气氛中进行。

图2 Ni-(Fe+Cu)-Mo合金成分中三种冷却速度(10-³℃/min，1℃/min，10³℃/min)下K₁＝0的线和0%Cu、4.5%Cu、14%Cu的λ=0的线(λ=0线的镍含量不变。高μ0合金一般在K1=0的线和λ=0的线相交处。A线与磁退火关系很密切)

图3 高镍合金中，轧制和磁退火后的单轴各向异性K_u与成分的关系

分类及性能 坡莫合金按成分可分为35%～40%Ni-Fe合金、45%～50%Ni-Fe合金、50%～65%Ni-Fe合金和70%～81%Ni-Fe合金4大类。每一类都可做成具有圆形磁滞回线、矩形磁滞回线或扁平磁滞回线材料。

(1)35%～40%Ni-Fe合金。在含镍35%～40%范围内，磁晶各向异性K₁随镍含量增加而减小，并且方形比B_r/B_s也变小，显示出圆形磁滞回线。这种圆形回线与高阻率(镍含量为40%时，ρ=60μΩ·cm;而在48%时，ρ=45μΩ·cm)和细晶粒各向同性微结构相结合，导致较低的铁心损耗。例如厚度0.05mm的40%Ni-Fe合金带，在0.1T和20kHz下的损耗为9W·kg^-1;而48%Ni-Fe合金带的相应损耗为14W·kg^-1。该类合金适用于方波变压器、直流变换器等。

(2)45%～50%Ni-Fe合金。该成分范围内的合金具有坡莫合金中最高的饱和磁化强度，且K₁>0，易磁化方向为〈100〉。通过形成立方织构可得到矩形磁滞回线，用于磁放大器、扼流圈和变压器。也可通过形成二次再结晶的{210}〈001〉织构，或借助初次再结晶形成细晶粒各向同性显微组织，得到圆形磁滞回线。这种合金具有高磁导率和低矫顽力，可用于电流变压器、接地故障断路器、微电机和继电器等。

(3)50%～65%Ni-Fe合金。该成分范围内合金有最高的居里温度，饱和磁化强度也较高，且在有序状态K₁≈0，因此磁场热处理效应特别明显，能产生很强的感生磁各向异性。低温(居里点以下约130℃)磁场热处理时，磁滞回线呈矩形，直流最大磁导率高，但动态特性较差;高温(居里点以下约60℃)磁场热处理时，回线的方形比有所下降，直流最大磁导率不高，但动态特性好。含镍约55%的镍铁合金(加2%钼)经高温退火，形成{210}〈001〉织构或细晶粒二次再结晶组织，然后进行高温纵向磁场热处理，可显著提高μ_i和μ_m。具有细晶各向同性微结构的含镍65%的镍铁合金经纵向磁场热处理，可获得良好动态特性的矩形磁滞回线材料，适用于磁放大器。这种合金经横向磁场热处理，可得低Br扁平状回线，磁导率在一定的磁场强度范围内变化很小，被称为恒磁导率合金，适于做电感元件。

(4)70%～81%Ni-Fe合金。该成分范围的坡莫合金具有最高的磁导率。虽然二元的镍铁合金中K₁和λ不可能同时降为零，但在此成分范围内加入适量的合金化元素如钼、铬、铜等，再通过控制热处理的冷却速度，便可以使K₁和λ同时趋近于零，从而获得很高的磁导率和很低的矫顽力。一般这种合金的μ_i可达40～60mH/m。1947年美国波佐思(R. M. Bozorth)等人用较纯的原材料，经真空熔炼并最终在纯净的氢气中于1200～1300℃高温退火，获得了μ_i和μm极高的Ni79Mo5合金，称超坡莫合金。其μ_i可达150mH/m以上，μ_m可达1130mH/m。20世纪60年代末，日本的增本量等在78%Ni-Fe合金中加入铌、钽，以后又加入第四和第五种元素如钼、铬、钛、铝、锰等，获得了高硬度高磁导率的坡莫合金，其硬度HV>200，称为硬坡莫合金。这类合金适用于做变压器、扼流圈、磁头、磁屏蔽等。此外，该类合金通过形成立方织构，其回线还可呈矩形;同时控制该合金的有序度，使K₁≥0，则显示出良好的动态特性，它很适合于做磁调制器等。添加2%的80%～82%Ni-Fe合金粉末制作的压粉铁心，具有高的电阻和良好的稳定性，可在300Hz的频率下使用。

几种坡莫合金的典型性能