鎳基軟磁合金

以鎳為基加入其他元素組成的合金就叫鎳合金。鎳具有良好的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度和改善某些物理性能。鎳合金可作為電子管用材料、精密合金（磁性合金、精密電阻合金、電熱合金等）、鎳基高溫合金以及鎳基耐蝕合金和形狀記憶合金等。在能源開發(fā)、化工、電子、航海、航空和航天等部門中，鎳合金都有廣泛用途。鎳能與銅、鐵、錳、鉻、硅、鎂組成多種合金。其中鎳銅合金是著名的蒙乃爾合金,它強度高,塑性好,在750度以下的大氣中,化學(xué)性能穩(wěn)定,廣泛用于電氣工業(yè),真空管,化學(xué)工業(yè),醫(yī)療器材和航海船舶工業(yè)等方面。

一、鎳基合金定義

鎳基合金一般以Ni含量超過30wt%之合金稱之，常見產(chǎn)品之Ni含量都超過50wt%， 由于具有超群的高溫機械強度與耐蝕性質(zhì)，與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)，一般是應(yīng)用在540℃以上的高溫環(huán)境，并依其使用場合，選用不同合金設(shè)計，多用于特殊耐蝕環(huán)境、高溫腐蝕環(huán)境、需具備高溫機械強度之設(shè)備。常應(yīng)用于航天、能源、石化工業(yè)或特殊電子/光電等領(lǐng)域。

二、起源與發(fā)展

鎳基合金是30年代后期開始研制的，英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高潛變強度又添加Al，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美國于40年代中期，俄羅斯于40年代后期，中國于50年代中期也先后開發(fā)出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個方面，即合金成分的改良和生產(chǎn)技術(shù)的革新。

50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高Al和Ti 的鎳基合金創(chuàng)造了條件，而帶動了合金強度與使用溫度的大幅提高。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用精密鑄造技術(shù)，發(fā)展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的方向性結(jié)晶和單晶高溫合金，以及粉末冶金高溫合金。

為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C的需要，60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高Cr鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從700 提高1,100℃，平均每年提高10℃左右。時至今日，鎳基合金之使用溫度已可超過1,100℃，從前述最初成份簡單之Nimonic75 合金，到近期發(fā)展出之MA6000 合金，在1,100℃時拉伸強度可達(dá)2,220MPa、屈服強度為192MPa；其1,100℃/137MPa條件下之持久強度約達(dá)1,000小時，可用于航空發(fā)動機葉片。

鎳鐵軟磁合金概述

1917年埃爾門(G.W.Elmen)發(fā)現(xiàn)(30~90)Ni-Fe合金在低、中磁場下具有較好的軟磁性能,其中78Ni-Fe的起始磁導(dǎo)率(μ0)最高,稱為坡莫合金(Permalloy)。1921年他又發(fā)現(xiàn)了含一定量鈷的Ni-Fe合金Perminvar，其剩磁(Br)和矯頑力低，在低磁場下磁導(dǎo)率幾乎不變,磁滯回線為蜂腰狀。1924年史密斯(W.S.Smith)制成了含銅的高Ni-Fe合金Mumetal。1931年埃爾門又在78Ni-Fe合金中加入4%Mo以提高電阻率(ρ)，并改進(jìn)了磁性能,簡化了熱處理操作，制成4-79鉬坡莫合金。1933年德國達(dá)爾 (O.Dahl)等制成Isoperm(50Ni-Fe)恒導(dǎo)磁合金。1934年埃利斯(W.G.Ellis)等制成 81 Ni-2 Mo-Fe 壓粉磁芯。第二次世界大戰(zhàn)初期德國制成具有矩形回線的晶粒取向50 Ni-Fe合金，稱為Permenorm 5000 Z(美國稱為Deltamax)。1947年布斯利(O.L.Boothly)等制成起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率 (μm)最高的5-79鉬坡莫合金，稱為超坡莫合金(Super-malloy)。1956年美國豪 (G.H.Howe)制成矩形回線的65Ni-2 Mo-Fe合金，磁導(dǎo)率很高,矯頑力很低,稱為Dynamax。Ni-Fe系合金因鎳含量不同而具有不同的磁性。圖1和圖2表示鎳含量對 Ni-Fe合金的飽和磁感(Bs)、居里溫度 (Tc)和起始磁導(dǎo)率的影響。Ni-Fe系軟磁合金品種多、用途廣;各國和各生產(chǎn)廠家都有自己的牌號。從1961年起,中國開始陸續(xù)生產(chǎn)具有各種性能的Ni-Fe軟磁合金。

Ni-Fe合金大致可分為以下幾類(典型磁性見表):

高電阻率36Ni-Fe合金 電阻率約達(dá)75μΩ·cm，渦流損耗低、起始磁導(dǎo)率較低(2000~3000)且在低磁場下幾乎不變。34.5 Ni-Fe合金加入2%Mo，經(jīng)壓下率90%以上的冷軋和退火，獲得二次再結(jié)晶織構(gòu)(見擇優(yōu)取向)，可使飽和磁致伸縮降低，起始磁導(dǎo)率明顯提高 (55000)，電阻率也提高到90μΩ·cm，適于在中頻下應(yīng)用。

高飽和磁感(45~60)Ni-Fe合金 飽和磁感約1.6T，起始磁導(dǎo)率較高(3000~6000)。通過約95%壓下率的冷軋和退火,得到二次再結(jié)晶織構(gòu)，μ0可提高到10000。最常用的(47~50)Ni-Fe合金,磁場熱處理可使μ0和μm值進(jìn)一步提高3~4倍。

高導(dǎo)磁(74~82)Ni-Fe合金 起始磁導(dǎo)率為30000~100000，最大磁導(dǎo)率可達(dá)100000~300000以上，矯頑力很低。退火后的冷卻速度對磁晶各向異性和磁導(dǎo)率有很大影響,這和有序轉(zhuǎn)變形成FeNi3有序結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了降低有序轉(zhuǎn)變速度和提高電阻率，常加入少量鉬、鉻和銅。鉬和鉻原子代替部分鐵原子,銅原子代替部分鎳原子,這些都可阻止FeNi3的形成，從而使熱處理操作簡化,以便增高磁導(dǎo)率。最常用的高導(dǎo)磁 Ni-Fe合金是4-79鉬坡莫合金，Mumetal(5%Cu,2.75%Cr和77%Ni或4%Mo,5%Cu和77%Ni)和含5%Mo的超坡莫合金。在高導(dǎo)磁Ni-Fe合金中加入2~3%Ti或3~7%Nb,形成極細(xì)的析出物,阻礙位錯運動,可提高硬度和耐磨性,并保持高磁導(dǎo)率，稱為硬坡莫合金，常用作磁頭材料。

高矩形比Ni-Fe合金 晶粒取向(增強磁晶各向異性)、磁場熱處理(感生單軸各向異性)和大形變量冷加工(引致滑移感生各向異性)都可使磁滯回線形狀改變，影響磁性。晶粒取向 50 Ni-Fe合金 (Deltamax和 Per-menorm 5000Z)是最重要的矩形回線材料。經(jīng)95%壓下率的冷軋和1000~1200℃初次再結(jié)晶退火得{100}立方織構(gòu)，其矩形比(Br/Bm)值很高。65Ni-Fe和65Ni-2.5Mo-Fe(Dynamax)合金經(jīng)冷軋和退火后，再經(jīng)磁場熱處理，其回線呈矩形，Br/Bm和μ 值很高，Hc值很低。合金中存在微量氧對磁場處理感生各向異性的形成有很大影響。因為氧可以阻止FeNi3長程有序結(jié)構(gòu)的形成，有利于FeNi3原子對擇優(yōu)地按某一方向排列。4-79鉬坡莫合金或Mumetal合金經(jīng)磁場熱處理后也可以具有矩形回線。4-79鉬坡莫合金經(jīng)大于93%的壓下率冷軋成薄帶或99%的壓縮比冷拉成細(xì)絲，所形成的滑移感生各向異性也可使磁滯回線變成矩形。

恒導(dǎo)磁Ni-Fe合金 特點是低磁場下的磁導(dǎo)率不隨磁場強度變化，磁滯回線呈斜形,剩磁很低。50Ni-Fe的Isoperm合金(有時加入少量銅或鋁)經(jīng)90%以上的壓下率冷軋和1000℃退火，再經(jīng)50%壓下率的冷軋，沿軋向磁化，回線為斜形，Br值很低，磁導(dǎo)率幾乎不隨磁場大小而變,即具有恒導(dǎo)磁性。65Ni-Fe合金(或加入1%Mn)、Perminvar型合金【(34~45)Ni-(25~29)Co-Fe或加入2~3%Mo和Nb】和79Ni-4Mo-Fe合金經(jīng)橫向磁場熱處理后回線也呈斜形,磁導(dǎo)率更高而且恒定。含1%Mn的65Ni-Fe合金(中國牌號1J66)的磁導(dǎo)率穩(wěn)恒性、溫度穩(wěn)定性和有效磁導(dǎo)率等綜合性能最佳。

81Ni-2Mo-Fe合金壓粉磁芯 電阻率較高，可在300kHz頻率下使用，溫度穩(wěn)定性好，但磁導(dǎo)率較低。

Ni-Fe軟磁合金通常以帶材形式使用。0.15~0.35mm厚的帶材主要用來制作使用頻率為 50~400Hz的疊片鐵芯;0.10~0.25mm厚的,主要制作使用頻率低于25kHz的卷繞切割鐵芯和卷繞鐵芯;0.003~0.025mm的極薄帶則可用于制造使用頻率高達(dá)500kHz的軸繞鐵芯(圖3)。

Ni-Fe合金的塑性很好,可軋成厚度為0.0025mm的超薄帶(見箔材軋制)或拉成直徑為0.01mm的細(xì)絲。

參考書目

R.M.Bozorth, Ferromagnetism,Nostrand,Princeton,N.J.,1951.

G.Y.Chin & J.H.Wernick, Soft Magnetic Metallic Materials in Ferromagnetic Materials,Vol.2,pp.57~188,North-Holland,Amsterdam,1980.