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坡莫合金
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坡莫合金的概述

2019-12-25 08:10:04

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105的初始磁导率、超过106的大磁导率、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(105)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。

坡莫合金的概述

  结构磁性

  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 [1] 。

  相互关系

  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Z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。

坡莫合金的概述

  分类性能

  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。

  35%~40%

  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。

  45%~50%

  该成分范围内的合金具有坡莫合金中高的饱和磁化强度,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。

  50%~65%

  该成分范围内合金有高的居里温度,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。

  70%~81%

  该成分范围的坡莫合金具有高的磁导率。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Z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。


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