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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

坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內。是應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的大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數,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硅鋼稍低一些,但磁導率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,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,適合于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。

坡莫合金的概述

  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 [1] 。

  相互關系

  圖1示出二元鎳鐵合金的飽和磁化強度Js、居里溫度Tc、磁晶各向異性K1及磁致伸縮常數λ與鎳含量的關系。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系。圖3示出由軋制和磁退火工藝得到的單軸各向異性常數Ku1、Ku2隨鎳含量的變化。由圖可知,K1不僅依賴于成分,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。低于Tc以下溫度磁場熱處理時產生的Ku2要比滑移形變(冷軋時)產生的Ku1小一個數量級。Ku1和Ku2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Br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,應盡量獲得立方織構。具體可采用大壓下量冷軋和較低溫度(900~1050℃)退火。坡莫合金的Z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。

坡莫合金的概述

  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%范圍內,磁晶各向異性K1隨鎳含量增加而減小,并且方形比Br/Bs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。該類合金適用于方波變壓器、直流變換器等。

  45%~50%

  該成分范圍內的合金具有坡莫合金中高的飽和磁化強度,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,用于磁放大器、扼流圈和變壓器。也可通過形成二次再結晶的{210}織構,或借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,可用于電流變壓器、接地故障斷路器、微電機和繼電器等。

  50%~65%

  該成分范圍內合金有高的居里溫度,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,然后進行高溫縱向磁場熱處理,可顯著提高μi和μm。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,適用于磁放大器。這種合金經橫向磁場熱處理,可得低Br扁平狀回線,磁導率在一定的磁場強度范圍內變化很小,被稱為恒磁導率合金,適于做電感元件。

  70%~81%

  該成分范圍的坡莫合金具有高的磁導率。雖然二元的鎳鐵合金中K1和λ不可能同時降為零,但在此成分范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同時趨近于零,從而獲得很高的磁導率和很低的矯頑力。一般這種合金的μi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,經真空熔煉并Z終在純凈的氫氣中于1200~1300℃高溫退火,獲得了μi和μm極高的 Ni79Mo5合金,稱超坡莫合金。其μi可達150mH/m以上,μm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,以后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Hv>200,稱為硬坡莫合金。這類合金適用于做變壓器、扼流圈、磁頭、磁屏蔽等。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,它很適合于做磁調制器等。添加2%的80%~82%Ni-Fe合金粉末制作的壓粉鐵心,具有高的電阻和良好的穩定性,可在300Hz的頻率下使用。


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