坡莫合金

1913年美國(guó)人埃爾門(G.W.Elmen)發(fā)現(xiàn)，含鎳量為30%~90%的Ni-Fe合金在弱、中磁場(chǎng)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(dǎo)率μi最高，遂命名為坡莫合金(permalloy)，意即導(dǎo)磁合金。他還發(fā)現(xiàn)了進(jìn)一步提高 50%~90%Ni-Fe合金起始磁導(dǎo)率的特殊熱處理工藝，稱為"坡莫合金熱處理"。1921年78%Ni-Fe合金被用于電話繼電器。1924年英國(guó)人史密斯(Smith)等發(fā)明了添加銅、鉻的76%Ni-Fe合金，稱為 "Mumetal"(英國(guó)Telcon公司生產(chǎn))。1931年美國(guó)人延森(T.D.Yensen)發(fā)明了用真空熔煉和氫氣高溫退火的工藝，以凈化合金，并發(fā)展了商品牌號(hào)為Hipernik的超級(jí)鎳鐵合金。1934年美國(guó)人凱薩爾(G.A.Kelsall)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)熱處理可明顯提高鐵鎳合金的最大磁導(dǎo)率，65%Ni-Fe(65坡莫合金)經(jīng)磁場(chǎng)熱處理后，μmax提高約10倍。1947年美國(guó)人波佐思(R.M.Bozorth)等發(fā)明了μi和μm最高的合金，稱超坡莫合金。60年代初，中國(guó)鋼鐵研究總院發(fā)明了用橫向磁場(chǎng)處理和加適量氧氣的方法，制得了Br和Hc接近于零，磁導(dǎo)率非常恒定的65%Ni- Fe合金(中國(guó)牌號(hào)1J66)。70年代以后，為適應(yīng)高頻開關(guān)電源和磁記錄技術(shù)發(fā)展的需要，在含高鎳的鎳鐵合金中加入鈮、鉭、釩、鎢、鈦、硅和鋁等各種元素制得了高硬度、高電阻率、低損耗的高磁導(dǎo)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。

圖1示出二元鎳鐵合金的飽和磁化強(qiáng)度Js、居里溫度Tc、磁晶各向異性K1及磁致伸縮常數(shù)λ與鎳含量的關(guān)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(guān)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(shù)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(guān)。λ基本上由成分決定，僅在Ni3Fe的成分處，冷卻速度才對(duì)λ111和λ100有少許影響。低于Tc以下溫度磁場(chǎng)熱處理時(shí)產(chǎn)生的Ku2要比滑移形變(冷軋時(shí))產(chǎn)生的Ku1小一個(gè)數(shù)量級(jí)。Ku1和Ku2都是單軸各向異性，所以當(dāng)沿其擇優(yōu)方向磁化時(shí)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(duì)鎳含量為70%~80%的合金，其Kl≤0，易磁化方向?yàn)?lt;111>，需避免{100}<001>立方織構(gòu)、混亂取向的隨機(jī)織構(gòu)。而鎳為45%~68%的合金K1>0、易磁化方向?yàn)?lt;100>，故為獲得高磁性，應(yīng)盡量獲得立方織構(gòu)。具體可采用大壓下量冷軋和較低溫度(900~1050℃)退火。坡莫合金的最終退火應(yīng)在不含氧，露點(diǎn)在一40℃以下的純氫氣氛中或在真空度達(dá)10-2~10-3Pa的氣氛中進(jìn)行。

坡莫合金是一種在較弱磁場(chǎng)下有較高的磁導(dǎo)率的鐵鎳合金，鎳含量在30%以上的鎳鐵合金，在室溫時(shí)都為單相的面心立方(γ)結(jié)構(gòu)，但在30%Ni附近的單相結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，因此實(shí)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?jǐn)?shù))附近，在此單相合金中會(huì)發(fā)生Ni3Fe長(zhǎng)程有序轉(zhuǎn)變，這時(shí)合金的點(diǎn)陣常數(shù)和物理性質(zhì)，如電阻率和磁性等都會(huì)發(fā)生變化。因此，要考慮有序轉(zhuǎn)變對(duì)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(zhǎng)程有序的生成。

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)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(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。

1J50的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)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(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬105以上，適合于作弱信號(hào)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4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。

在含鎳35%~40%范圍內(nèi)，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(shí)，ρ=60μΩ.cm;而在48%時(shí)，ρ=45μΩ.cm)和細(xì)晶粒各向同性微結(jié)構(gòu)相結(jié)合，導(dǎo)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.千克-1;而48%Ni-Fe合金帶的相應(yīng)損耗為14瓦.千克-1.該類合金適用于方波變壓器、直流變換器等。

該成分范圍內(nèi)的合金具有坡莫合金中最高的飽和磁化強(qiáng)度，且K1>O，易磁化方向?yàn)?lt;100>。通過形成立方織構(gòu)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(jié)晶的{210}織構(gòu)，或借助初次再結(jié)晶形成細(xì)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(dǎo)率和低矯頑力，可用于電流變壓器、接地故障斷路器、微電機(jī)和繼電器等。

該成分范圍內(nèi)合金有最高的居里溫度，飽和磁化強(qiáng)度也較高，且在有序狀態(tài)K1≈O，因此磁場(chǎng)熱處理效應(yīng)特別明顯，能產(chǎn)生很強(qiáng)的感生磁各向異性。低溫(居里點(diǎn)以下約130℃)磁場(chǎng)熱處理時(shí)，磁滯回線呈矩形，直流最大磁導(dǎo)率高，但動(dòng)態(tài)特性較差;高溫(居里點(diǎn)以下約60℃)磁場(chǎng)熱處理時(shí)，回線的方形比有所下降，直流最大磁導(dǎo)率不高，但動(dòng)態(tài)特性好。含鎳約55%的鎳鐵合金(加2%鉬)經(jīng)高溫退火，形成{210}<00l>織構(gòu)或細(xì)晶粒二次再結(jié)晶組織，然后進(jìn)行高溫縱向磁場(chǎng)熱處理，可顯著提高μi和μm。具有細(xì)晶各向同性微結(jié)構(gòu)的含鎳65%的鎳鐵合金經(jīng)縱向磁場(chǎng)熱處理，可獲得良好動(dòng)態(tài)特性的矩形磁滯回線材料，適用于磁放大器。這種合金經(jīng)橫向磁場(chǎng)熱處理，可得低Br扁平狀回線，磁導(dǎo)率在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)變化很小，被稱為恒磁導(dǎo)率合金，適于做電感元件。

該成分范圍的坡莫合金具有最高的磁導(dǎo)率。雖然二元的鎳鐵合金中K1和λ不可能同時(shí)降為零，但在此成分范圍內(nèi)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(shí)趨近于零，從而獲得很高的磁導(dǎo)率和很低的矯頑力。一般這種合金的μi可達(dá)40~60mH/m。1947年美國(guó)波佐思(R.M.Bozorth)等人用較純的原材料，經(jīng)真空熔煉并最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(dá)150mH/m以上，μm可達(dá)1130mH/m。20世紀(jì)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(dǎo)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(gòu)，其回線還可呈矩形;同時(shí)控制該合金的有序度，使K1≥O，則顯示出良好的動(dòng)態(tài)特性，它很適合于做磁調(diào)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(wěn)定性，可在300Hz的頻率下使用。

坡莫合金的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜。例如，板材軋制的工藝、退火溫度、時(shí)間、退火后的冷卻快慢等都對(duì)材料最終的磁性能有很大影響。

我國(guó)的坡莫合金牌號(hào)是1JXX。其中，J表示"精密合金"，"1"表示軟磁，后 面的數(shù)字為序號(hào)，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(dǎo)磁率，所以常常用在中高頻變壓器的鐵芯或者對(duì)靈敏度有嚴(yán)格要求的器件中，例如高頻(數(shù)十KHz)開關(guān)電源變壓器、精密互感器、漏電開關(guān)互感器、磁屏蔽、磁軛等。

permalloy

在弱磁場(chǎng)下具有極高磁導(dǎo)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，屬于坡莫合金的還有鐵硅鋁合金和非晶態(tài)鈷基合金。

坡莫合金的軟磁性能優(yōu)異，起始磁導(dǎo)率μi為37.5~125mH/m，最大磁導(dǎo)率μm可達(dá)125~375mH/m，矯頑力Hc為0.8A/m，電阻率ρ為60~85μΩ·cm。

合金采用真空感應(yīng)爐熔煉，經(jīng)熱冷塑性變形制成冷軋帶材、冷拉線材或熱軋(鍛)板材和棒材。

用于制作音頻變壓器、互感器、磁放大器、磁調(diào)制器、扼流器、音頻磁頭等。

采用磁控濺射的方法制備了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(duì)NiFe薄膜性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明;將CoFe-NOL引入NiFe薄膜，CoFe-NOL對(duì)NiFe薄膜性能有重要影響，并且CoFe-NOL在薄膜中的位置不同影響效果也不同;CoFe-NOL處于Ta/NiFe界面時(shí)，由于破壞了NiFe薄膜的織構(gòu)，導(dǎo)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處于NiFe/Ta界面時(shí)，則不會(huì)破壞NiFe薄膜的織構(gòu)，其AMR值和矯頑力基本沒有變化。將Al2O3插層引入NiFe薄膜，由于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(jié)構(gòu)，提高薄膜的磁電阻值，改善薄膜的磁性能。當(dāng)Al2O3插層厚度為1.5 nm時(shí)，NiFe薄膜有最佳的微結(jié)構(gòu)和性能。