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坡莫合金

坡莫合金指铁镍合金,其含镍量的范围很广,在35%-90%之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。它们的饱和磁感应强度一般在0.6--1.0T之间。

坡莫合金常指铁镍系合金,镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺,可以有效地控制磁性能,比如超过10的初始磁导率、超过10的最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数,具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。

1J50的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些,但磁导率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢低2~3倍。做成较高频率(400~8000Hz)的变压器,空载电流小,适合制作100W以下小型较高频率变压器。1J79具有好的综合性能,适用于高频低电压变压器,漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1J85的初始磁导率可达十万(10)以上,适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。

1913年,美国人埃尔门(G.W.Elmen)发现,含镍量为30%~90%的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μi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.Bozorth)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Br和Hc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。

坡莫合金是一种在较弱磁场下有较高的磁导率的铁镍合金,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示出二元镍铁合金的饱和磁化强度Js、居里温度Tc、磁晶各向异性K1及磁致伸缩常数λ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Tc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Br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10~10Pa的气氛中进行。

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合金四大类。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。

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Br/Bs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9瓦每千克;而48%Ni-Fe合金带的相应损耗为14瓦每千克。该类合金适用于方波变压器、直流变换器等。

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}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。

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μi和μm。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。

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μi可达40~60mH/m。1947年,美国人波佐思(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μi和μm极高的 Ni79Mo5合金,称超坡莫合金。其μi可达150mH/m以上,μm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。

permalloy

在弱磁场下具有极高磁导率的铁镍系软磁合金。

为提高电阻率、改善工艺性能,在Fe-Ni二元合金中常加入Mo、Cr、Cu等元素。除Fe-Ni系合金外,属于坡莫合金的还有铁硅铝合金和非晶态钴基合金。

坡莫合金的软磁性能优异,起始磁导率μi为37.5~125mH/m,最大磁导率μm可达125~375mH/m,矫顽力Hc为0.8A/m,电阻率ρ为60~85μΩ·cm。

合金采用真空感应炉熔炼,经热冷塑性变形制成冷轧带材、冷拉线材或热轧(锻)板材和棒材。

用于制作音频变压器、互感器、磁放大器、磁调制器、扼流器、音频磁头等。

坡莫合金的生产过程比较复杂。例如,板材轧制的工艺、退火温度、时间、退火后的冷却快慢等都对材料最终的磁性能有很大影响。

我国的坡莫合金牌号是1JXX。其中,J表示“精密合金”,“1”表示软磁,后面的数字为序号,通常表示合金中的含镍量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的导磁率,所以常常用在中高频变压器的铁芯或者对灵敏度有严格要求的器件中,例如高频(数十kHz)开关电源变压器、精密互感器、漏电开关互感器、磁屏蔽、磁轭等。

采用磁控溅射的方法制备了Ta/NiFe/Ta磁电阻薄膜,分别将CoFe-NOL和Al2O3插层引入NiFe薄膜,研究纳米氧化。

层(NOL)对NiFe薄膜性能的影响.实验结果表明;将CoFe-NOL引入NiFe薄膜,CoFe-NOL对NiFe薄膜性能有重要影响,并且CoFe-NOL在薄膜中的位置不同影响效果也不同;CoFe-NOL处于Ta/NiFe界面时,由于破坏了NiFe薄膜的织构,导致了NiFe薄膜的各向异性磁电阻(AMR)值的减小和矫顽力的上升CoFe-NOL处于NiFe/Ta界面时,则不会破坏NiFe薄膜的织构,其AMR值和矫顽力基本没有变化。将Al2O3插层引入NiFe薄膜,由于Al2O3插层的“镜面反射”作用,合适厚度的Al2O3插层可以改善薄膜的微结构,提高薄膜的磁电阻值,改善薄膜的磁性能。当Al2O3插层厚度为1.5 nm时,NiFe薄膜有最佳的微结构和性能。

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