坡莫合金:概念,簡史,結構磁性,相互關係,分類性能,35%～40%,45%～50%

坡莫合金指鐵鎳合金，其含鎳量的範圍很廣，在35%－90%之間。坡莫合金的最大特點是具有很高的弱磁場導磁率。它們的飽和磁感應強度一般在0.6--1.0T之間。

基本介紹

中文名：坡莫合金
外文名：permalloy
含鎳量：35%－90%
特點：很高的弱磁場導磁率
磁感應強度：0.6--1.0T
又名：鐵鎳合金

概念,簡史,結構磁性,相互關係,分類性能,35%～40%,45%～50%,50%～65%,70%～81%,基本特點,生產過程,納米影響,

概念

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%範圍內。是套用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，比如超過10⁵的初始磁導率、超過10⁶的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形係數，具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。

1J50的飽和磁感應強度比矽鋼稍低一些，但磁導率比矽鋼高几十倍，鐵損也比矽鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合製作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能，適用於高頻低電壓變壓器，漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導率可達十萬（10⁵）以上，適合於作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。

簡史

1913年，美國人埃爾門(G.W.Elmen)發現，含鎳量為30%～90%的Ni-Fe合金在弱、中磁場下具有良好的軟磁特性，其中含鎳78%的鎳鐵合金的起始磁導率μ_i最高，遂命名為坡莫合金(permalloy)，意即導磁合金。他還發現了進一步提高 50%～90%Ni-Fe合金起始磁導率的特殊熱處理工藝，稱為“坡莫合金熱處理”。1921年，78%Ni-Fe合金被用於電話繼電器。1924年，英國人史密斯(Smith)等發明了添加銅、鉻的76%Ni-Fe合金，稱為 “Mumetal”(英國Telcon公司生產)。1931年，美國人延森(T.D.Yensen)發明了用真空熔煉和氫氣高溫退火的工藝，以淨化合金，並發展了商品牌號為Hipernik的超級鎳鐵合金。1934年，美國人凱薩爾(G.A.Kelsall)發現磁場熱處理可明顯提高鐵鎳合金的最大磁導率，65%Ni-Fe(65坡莫合金)經磁場熱處理後，μ_max提高約10倍。1947年，美國人波佐思(R.M.Bozorth)等發明了μ_i和μ_m最高的合金，稱超坡莫合金。60年代初，中國鋼鐵研究總院發明了用橫向磁場處理和加適量氧氣的方法，製得了B_r和H_c接近於零，磁導率非常恆定的65%Ni- Fe合金(中國牌號1J66)。70年代以後，為適應高頻開關電源和磁記錄技術發展的需要，在含高鎳的鎳鐵合金中加入鈮、鉭、釩、鎢、鈦、矽和鋁等各種元素製得了高硬度、高電阻率、低損耗的高磁導率合金，成為軟磁合金中性能類型最多，品種和用途最廣，最具代表性的合金。

結構磁性

坡莫合金是一種在較弱磁場下有較高的磁導率的鐵鎳合金，鎳含量在30%以上的鎳鐵合金，在室溫時都為單相的面心立方(γ)結構，但在30%Ni附近的單相結構很不穩定，因此實用的鐵鎳軟磁合金，含鎳量都在 36%以上。鐵鎳合金在含鎳75%(原子分數)附近，在此單相合金中會發生Ni₃Fe長程有序轉變，這時合金的點陣常數和物理性質，如電阻率和磁性等都會發生變化。因此，要考慮有序轉變對性能的影響。通常在Ni₃Fe合金中加入少量Mo或Cu等附加元素，以抑制長程有序的生成。

相互關係

圖1示出二元鎳鐵合金的飽和磁化強度J_s、居里溫度T_c、磁晶各向異性K₁及磁致伸縮常數λ與鎳含量的關係。圖2示出Ni-(Fe+Cu)-Mo合金的 K₁和λ與成分和熱處理冷卻速度的關係。圖3示出由軋制和磁退火工藝得到的單軸各向異性常數K_u₁、K_u₂隨鎳含量的變化。由圖可知，K₁不僅依賴於成分，且與Ni₃Fe的短程有序(為熱處理冷卻速度所控制)有關。λ基本上由成分決定，僅在Ni₃Fe的成分處，冷卻速度才對λ₁₁₁和λ₁₀₀有少許影響。低於T_c以下溫度磁場熱處理時產生的K_u2要比滑移形變(冷軋時)產生的K_u1小一個數量級。K_u1和K_u2都是單軸各向異性，所以當沿其擇優方向磁化時可得到矩形磁滯回線，而沿垂直方向磁化可得到低B_r的扁平回線。對鎳含量為70%~80%的合金，其K₁≤0，易磁化方向為<111>，需避免{100}<001>立方織構、混亂取向的隨機織構。而鎳為45%~68%的合金K₁>0、易磁化方向為<100>，故為獲得高磁性，應儘量獲得立方織構。具體可採用大壓下量冷軋和較低溫度(900～1050℃)退火。坡莫合金的最終退火應在不含氧，露點在-40℃以下的純氫氣氛中或在真空度達10^-2～10^-3Pa的氣氛中進行。

分類性能

坡莫合金按成分可分為35%～40%Ni-Fe合金、45%～50%Ni-Fe合金、50%～65%Ni-Fe合金和70%～81%Ni-Fe合金四大類。每一類都可做成具有圓形磁滯回線、矩形磁滯回線或扁平磁滯回線材料。

35%～40%

在含鎳35%～40%範圍內，磁晶各向異性K₁隨鎳含量增加而減小，並且方形比B_r/B_s也變小，顯示出圓形磁滯回線。這種圓形回線與高阻率（鎳含量為 40%時，ρ=60μΩ·cm；而在48%時，ρ=45μΩ·cm）和細晶粒各向同性微結構相結合，導致較低的鐵心損耗。例如厚度0.05mm的 40%Ni-Fe合金帶，在0.1T和20kHz下的損耗為9瓦每千克；而48%Ni-Fe合金帶的相應損耗為14瓦每千克。該類合金適用於方波變壓器、直流變換器等。

45%～50%

該成分範圍內的合金具有坡莫合金中最高的飽和磁化強度，且K₁>0，易磁化方向為<100>。通過形成立方織構可得到矩形磁滯回線，用於磁放大器、扼流圈和變壓器。也可通過形成二次再結晶的{210}織構，或藉助初次再結晶形成細晶粒各向同性顯微組織，得到圓形磁滯回線。這種合金具有高磁導率和低矯頑力，可用於電流變壓器、接地故障斷路器、微電機和繼電器等。

50%～65%

該成分範圍內合金有最高的居里溫度，飽和磁化強度也較高，且在有序狀態K₁≈0，因此磁場熱處理效應特別明顯，能產生很強的感生磁各向異性。低溫(居里點以下約130℃)磁場熱處理時，磁滯回線呈矩形，直流最大磁導率高，但動態特性較差;高溫(居里點以下約60℃)磁場熱處理時，回線的方形比有所下降，直流最大磁導率不高，但動態特性好。含鎳約55%的鎳鐵合金(加2%鉬)經高溫退火，形成{210}<001>織構或細晶粒二次再結晶組織，然後進行高溫縱向磁場熱處理，可顯著提高μ_i和μ_m。具有細晶各向同性微結構的含鎳65%的鎳鐵合金經縱向磁場熱處理，可獲得良好動態特性的矩形磁滯回線材料，適用於磁放大器。這種合金經橫向磁場熱處理，可得低B_r扁平狀回線，磁導率在一定的磁場強度範圍內變化很小，被稱為恆磁導率合金，適於做電感元件。

70%～81%

該成分範圍的坡莫合金具有最高的磁導率。雖然二元的鎳鐵合金中K₁和λ不可能同時降為零，但在此成分範圍內加入適量的合金化元素如鉬、鉻、銅等，再通過控制熱處理的冷卻速度，便可以使K₁和λ同時趨近於零，從而獲得很高的磁導率和很低的矯頑力。一般這種合金的μ_i可達40～60mH/m。1947年，美國人波佐思(R.M.Bozorth)等人用較純的原材料，經真空熔煉並最終在純淨的氫氣中於1200～1300℃高溫退火，獲得了μ_i和μ_m極高的 Ni₇₉Mo₅合金，稱超坡莫合金。其μ_i可達150mH/m以上，μ_m可達1130mH/m。20世紀60年代末，日本的增本量等在78%Ni-Fe合金中加入鈮、鉭，以後又加入第四和第五種元素如鉬、鉻、鈦、鋁、錳等，獲得了高硬度高磁導率的坡莫合金，其硬度H_v>200，稱為硬坡莫合金。這類合金適用於做變壓器、扼流圈、磁頭、磁禁止等。此外，該類合金通過形成立方織構，其回線還可呈矩形;同時控制該合金的有序度，使K₁≥0，則顯示出良好的動態特性，它很適合於做磁調製器等。添加2%的80%～82%Ni-Fe合金粉末製作的壓粉鐵心，具有高的電阻和良好的穩定性，可在300Hz的頻率下使用。

基本特點

permalloy

在弱磁場下具有極高磁導率的鐵鎳系軟磁合金。

為提高電阻率、改善工藝性能，在Fe-Ni二元合金中常加入Mo、Cr、Cu等元素。除Fe-Ni系合金外，屬於坡莫合金的還有鐵矽鋁合金和非晶態鈷基合金。

坡莫合金的軟磁性能優異，起始磁導率μ_i為37.5～125mH/m，最大磁導率μ_m可達125～375mH/m，矯頑力H_c為0.8A/m，電阻率ρ為60～85μΩ·cm。

合金採用真空感應爐熔煉，經熱冷塑性變形製成冷軋帶材、冷拉線材或熱軋（鍛）板材和棒材。

用於製作音頻變壓器、互感器、磁放大器、磁調製器、扼流器、音頻磁頭等。

生產過程

坡莫合金的生產過程比較複雜。例如，板材軋制的工藝、退火溫度、時間、退火後的冷卻快慢等都對材料最終的磁性能有很大影響。

我國的坡莫合金牌號是1JXX。其中，J表示“精密合金”，“1”表示軟磁，後面的數字為序號，通常表示合金中的含鎳量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的導磁率，所以常常用在中高頻變壓器的鐵芯或者對靈敏度有嚴格要求的器件中，例如高頻（數十kHz）開關電源變壓器、精密互感器、漏電開關互感器、磁禁止、磁軛等。

納米影響

採用磁控濺射的方法製備了Ta/NiFe/Ta磁電阻薄膜，分別將CoFe-NOL和Al₂O₃插層引入NiFe薄膜，研究納米氧化。

層(NOL)對NiFe薄膜性能的影響.實驗結果表明；將CoFe-NOL引入NiFe薄膜，CoFe-NOL對NiFe薄膜性能有重要影響，並且CoFe-NOL在薄膜中的位置不同影響效果也不同；CoFe-NOL處於Ta/NiFe界面時，由於破壞了NiFe薄膜的織構，導致了NiFe薄膜的各向異性磁電阻(AMR)值的減小和矯頑力的上升CoFe-NOL處於NiFe/Ta界面時，則不會破壞NiFe薄膜的織構，其AMR值和矯頑力基本沒有變化。將Al₂O₃插層引入NiFe薄膜，由於Al₂O₃插層的“鏡面反射”作用，合適厚度的Al₂O₃插層可以改善薄膜的微結構，提高薄膜的磁電阻值，改善薄膜的磁性能。當Al₂O₃插層厚度為1.5 nm時，NiFe薄膜有最佳的微結構和性能。

坡莫合金