镍基软磁合金

以镍为基加入其他元素组成的合金就叫镍合金。镍具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。镍合金可作为电子管用材料、精密合金（磁性合金、精密电阻合金、电热合金等）、镍基高温合金以及镍基耐蚀合金和形状记忆合金等。在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天等部门中，镍合金都有广泛用途。镍能与铜、铁、锰、铬、硅、镁组成多种合金。其中镍铜合金是著名的蒙乃尔合金,它强度高,塑性好,在750度以下的大气中,化学性能稳定,广泛用于电气工业,真空管,化学工业,医疗器材和航海船舶工业等方面。

一、镍基合金定义

镍基合金一般以Ni含量超过30wt%之合金称之，常见产品之Ni含量都超过50wt%， 由于具有超群的高温机械强度与耐蚀性质，与铁基和钴基合金合称为超合金(Superalloy)，一般是应用在540℃以上的高温环境，并依其使用场合，选用不同合金设计，多用于特殊耐蚀环境、高温腐蚀环境、需具备高温机械强度之设备。常应用于航天、能源、石化工业或特殊电子/光电等领域。

二、起源与发展

镍基合金是30年代后期开始研制的，英国于1941年首先生产出镍基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高潜变强度又添加Al，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美国于40年代中期，俄罗斯于40年代后期，中国于50年代中期也先后开发出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面，即合金成分的改良和生产技术的革新。

50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高Al和Ti 的镍基合金创造了条件，而带动了合金强度与使用温度的大幅提高。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用精密铸造技术，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的方向性结晶和单晶高温合金，以及粉末冶金高温合金。

为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高Cr镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700 提高1,100℃，平均每年提高10℃左右。时至今日，镍基合金之使用温度已可超过1,100℃，从前述最初成份简单之Nimonic75 合金，到近期发展出之MA6000 合金，在1,100℃时拉伸强度可达2,220MPa、屈服强度为192MPa；其1,100℃/137MPa条件下之持久强度约达1,000小时，可用于航空发动机叶片。

镍铁软磁合金概述

1917年埃尔门(G.W.Elmen)发现(30~90)Ni-Fe合金在低、中磁场下具有较好的软磁性能,其中78Ni-Fe的起始磁导率(μ0)最高,称为坡莫合金(Permalloy)。1921年他又发现了含一定量钴的Ni-Fe合金Perminvar，其剩磁(Br)和矫顽力低，在低磁场下磁导率几乎不变,磁滞回线为蜂腰状。1924年史密斯(W.S.Smith)制成了含铜的高Ni-Fe合金Mumetal。1931年埃尔门又在78Ni-Fe合金中加入4%Mo以提高电阻率(ρ)，并改进了磁性能,简化了热处理操作，制成4-79钼坡莫合金。1933年德国达尔 (O.Dahl)等制成Isoperm(50Ni-Fe)恒导磁合金。1934年埃利斯(W.G.Ellis)等制成 81 Ni-2 Mo-Fe 压粉磁芯。第二次世界大战初期德国制成具有矩形回线的晶粒取向50 Ni-Fe合金，称为Permenorm 5000 Z(美国称为Deltamax)。1947年布斯利(O.L.Boothly)等制成起始磁导率和最大磁导率 (μm)最高的5-79钼坡莫合金，称为超坡莫合金(Super-malloy)。1956年美国豪 (G.H.Howe)制成矩形回线的65Ni-2 Mo-Fe合金，磁导率很高,矫顽力很低,称为Dynamax。Ni-Fe系合金因镍含量不同而具有不同的磁性。图1和图2表示镍含量对 Ni-Fe合金的饱和磁感(Bs)、居里温度 (Tc)和起始磁导率的影响。Ni-Fe系软磁合金品种多、用途广;各国和各生产厂家都有自己的牌号。从1961年起,中国开始陆续生产具有各种性能的Ni-Fe软磁合金。

Ni-Fe合金大致可分为以下几类(典型磁性见表):

高电阻率36Ni-Fe合金 电阻率约达75μΩ·cm，涡流损耗低、起始磁导率较低(2000~3000)且在低磁场下几乎不变。34.5 Ni-Fe合金加入2%Mo，经压下率90%以上的冷轧和退火，获得二次再结晶织构(见择优取向)，可使饱和磁致伸缩降低，起始磁导率明显提高 (55000)，电阻率也提高到90μΩ·cm，适于在中频下应用。

高饱和磁感(45~60)Ni-Fe合金 饱和磁感约1.6T，起始磁导率较高(3000~6000)。通过约95%压下率的冷轧和退火,得到二次再结晶织构，μ0可提高到10000。最常用的(47~50)Ni-Fe合金,磁场热处理可使μ0和μm值进一步提高3~4倍。

高导磁(74~82)Ni-Fe合金 起始磁导率为30000~100000，最大磁导率可达100000~300000以上，矫顽力很低。退火后的冷却速度对磁晶各向异性和磁导率有很大影响,这和有序转变形成FeNi3有序结构有关。为了降低有序转变速度和提高电阻率，常加入少量钼、铬和铜。钼和铬原子代替部分铁原子,铜原子代替部分镍原子,这些都可阻止FeNi3的形成，从而使热处理操作简化,以便增高磁导率。最常用的高导磁 Ni-Fe合金是4-79钼坡莫合金，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。在高导磁Ni-Fe合金中加入2~3%Ti或3~7%Nb,形成极细的析出物,阻碍位错运动,可提高硬度和耐磨性,并保持高磁导率，称为硬坡莫合金，常用作磁头材料。

高矩形比Ni-Fe合金 晶粒取向(增强磁晶各向异性)、磁场热处理(感生单轴各向异性)和大形变量冷加工(引致滑移感生各向异性)都可使磁滞回线形状改变，影响磁性。晶粒取向 50 Ni-Fe合金 (Deltamax和 Per-menorm 5000Z)是最重要的矩形回线材料。经95%压下率的冷轧和1000~1200℃初次再结晶退火得{100}立方织构，其矩形比(Br/Bm)值很高。65Ni-Fe和65Ni-2.5Mo-Fe(Dynamax)合金经冷轧和退火后，再经磁场热处理，其回线呈矩形，Br/Bm和μ 值很高，Hc值很低。合金中存在微量氧对磁场处理感生各向异性的形成有很大影响。因为氧可以阻止FeNi3长程有序结构的形成，有利于FeNi3原子对择优地按某一方向排列。4-79钼坡莫合金或Mumetal合金经磁场热处理后也可以具有矩形回线。4-79钼坡莫合金经大于93%的压下率冷轧成薄带或99%的压缩比冷拉成细丝，所形成的滑移感生各向异性也可使磁滞回线变成矩形。

恒导磁Ni-Fe合金 特点是低磁场下的磁导率不随磁场强度变化，磁滞回线呈斜形,剩磁很低。50Ni-Fe的Isoperm合金(有时加入少量铜或铝)经90%以上的压下率冷轧和1000℃退火，再经50%压下率的冷轧，沿轧向磁化，回线为斜形，Br值很低，磁导率几乎不随磁场大小而变,即具有恒导磁性。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合金经横向磁场热处理后回线也呈斜形,磁导率更高而且恒定。含1%Mn的65Ni-Fe合金(中国牌号1J66)的磁导率稳恒性、温度稳定性和有效磁导率等综合性能最佳。

81Ni-2Mo-Fe合金压粉磁芯 电阻率较高，可在300kHz频率下使用，温度稳定性好，但磁导率较低。

Ni-Fe软磁合金通常以带材形式使用。0.15~0.35mm厚的带材主要用来制作使用频率为 50~400Hz的叠片铁芯;0.10~0.25mm厚的,主要制作使用频率低于25kHz的卷绕切割铁芯和卷绕铁芯;0.003~0.025mm的极薄带则可用于制造使用频率高达500kHz的轴绕铁芯(图3)。

Ni-Fe合金的塑性很好,可轧成厚度为0.0025mm的超薄带(见箔材轧制)或拉成直径为0.01mm的细丝。

参考书目

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.