鎳鐵軟磁合金

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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)化了熱處理操作，制成4-79鉬坡莫合金。1933年德國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì) 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(guó)和各生產(chǎn)廠家都有自己的牌號(hào)。從1961年起,中國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)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(cuò)運(yùn)動(dòng),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(qiáng)磁晶各向異性)、磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)處理感生各向異性的形成有很大影響。因?yàn)檠蹩梢宰柚笷eNi3長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的形成，有利于FeNi3原子對(duì)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(chǎng)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(diǎn)是低磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率不隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，磁滯回線呈斜形,剩磁很低。50Ni-Fe的Isoperm合金(有時(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(guó)牌號(hào)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.