FeNi系坡莫合金的研究开发新进展

第14卷　第5期金属功能材料Vol114,　No15

2007年10月MetallicFunctionalMaterialsOctober,　2007

FeNi系坡莫合金的研究开发新进展

2

牛永吉1、,桑　灿1,李振瑞1,陈国钧1,　降向东1,吕　键1

(1北京北冶功能材料有限公司,北京100085;2北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)

摘　要:就坡莫合金研究、生产的最新进展作了简介。其中包括高导磁率坡莫合金成分设计理论、低中Ni代中高Ni的坡莫合金廉价化进展,立体声磁头用耐磨耐应力坡莫合金的开发,软磁合金的损耗分析等。关键词:坡莫合金;软磁合金;成分设计;损耗分析

中图分类号:TG1321271　　文献标识码:A　　文章编号:1005-(2007)05-0038-The2

N1、1,LIZhenrui1,1,JIANGXiangdong1,LUJian1

(1FunctionalMaterialsCorporation,Beijing100085,China;

2DepartmentScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)ABSTRACT:Thebriefintroductionofdevelopmentinpermalloystudyandproductioninrecentyearswasgiv2en1Thedevelopmentincludesthenewtheoryofcompositiondesignofhighpermeabilitypermalloy,thedevel2opmentofreducingthecostofpermalloythroughreplacehigh2Ni2alloybylowone,thestudyofthenewwafercorematerialsusedasstereomagnetichead,andthedevelopmentofiron2lossanalysisofthesoftmagnetical2loy1

KEYWORDS　Permalloy;softmagneticalloy;compositiondesign;iron2loss

含Ni量34%～84%的FeNi系坡莫合金在我国已研究生产了近半个世纪。自20世纪90年代以来坡莫合金受到非晶和纳米晶软磁合金的强烈挑战和竞争,虽已有部分应用领域被后者替代,但现在国内用量仍达约2000t,产值达4亿元左右。

有关坡莫合金性能和应用的基本物理冶金问题已基本解决,但近年来仍有如下进展:

∑μ

(P2=

Ni

μ-1)Ci,μNi为Ni的原子磁矩,其值为016B;

i

i

∑AC

,Ai、Ci为i种添加元素的价电子数和

原子百分数。

★Bs(T)=1108-01019(WNi-7815)+01010WCo+01003WMn-01030WCu-01035WTa-01043WW-01048WNb-01060WAl-01060WMo-01070WCr-01080WV-01080WTi-01090WSi

ρ(μΩ ☆cm)=18-013(WNi-7815)+

3

1310WCr+1110WV+(8～10)WMo+1010WSi+

1　最佳成分设计公式及饱和磁感(Bs)和

)经验公式〔1,2〕电阻率(ρ

根据修正的磁性原子比理论和生产实践的检

验,下列最佳成分设计公式是可行的:表1中P1为磁性Ni原子和Fe原子的比值CNimag/CFe,其中CNimag为未被中和的磁性Ni原子的含量(原子百分数,%),CFe为Fe元素的原子百分数,CNimag=CNi-

810WAl+610WNb+610WTi+410WW+315WTa+210WMn+014WCo+013WCu

W为质量百分数;3在3～4元系中为8,5元

系以上为10

。

作者简介:牛永吉(1980-),男,北京北冶功能材料有限公司第一研究室科研员,主要从事高温耐蚀合金、软磁合金等精密合金的研究。

联系电话:010-62949551

第5期　　　　　　　　　　　　　　　牛永吉等:FeNi

系坡莫合金的研究开发新进展39

表1　高磁导率坡莫合金成分设计公式

Table1　Thecompositiondesignformulaofhighpermeabilitypermalloy

性能μ80000i≥

μ30000i≥

修正规律

P1

P2

CFe(原子数分数,%)

3125±01523149±0141

2514±711613180±3183

13158±210517115±1133

μ30000i≥ρ≥017μΩ m

Bs08T

3123±0179

3148

27150±5164

<1918

12181±2150

Enoch老规律

表2列出了30个3～6元高磁导率Fe-Ni系

合金(包括12个最佳磁性的生产牌号)的实际成分和性能与计算值的对比,按新磁性原子比理论(P1=3125)计算得到的Ni含量比老理论(P1=3148)计算值更接近实际值,按Bs和ρ的经验公式计算的数值与实测值大多相差≯10%。

型水平〔3〕。用低中Ni合金来代替中高Ni合金以应对目前Ni价飞涨,:C01%～0106%,Mn10,%,S≤01001%,Al

2　三类:低镍(35%)的PD,中镍(42%～50%)的PB,高镍(70%～85%)的PC,相应的磁性能则为PC型>PB型>PD型。

现在采用下列关键技术可使PD型合金的磁性能达到PB型水平,而PB型合金的磁性能达到PC

,20ppm;(2)减少夹杂物数量,

μm以上的非金属夹杂量在20个/011

mm2以下,最好控制在10个/mm2以下(大约比现在一般真空炼钢的夹杂量小1～2个数量级〔4〕);(3)铸坯经均质化处理,要求Ni的偏析量≤0110～0115(质量分数,%);(4)控制铸锭组织:等轴晶面积比<1%。所达磁性能见表2。表3列出了另外一些高纯度低中Ni合金的磁性能水平。

表2　获得最佳磁性的Fe-Ni系坡莫合金实际成分和性能与计算值的比较

Table2　Compariesbetweenpracticalandtheoreticcompositionandproptiesofvariousoptimalpermalloys

μi

合金化学成分

/104

Ni79Mo416Ni7917Mo51Mn017Ni80118Mn6108Ni8116Cr3167Ni79127Nb7197

Ni83V6Ni7614W818Ni73Ta1514Ni7015Cu13117Ni7712Mo5Cu4Ni7915Nb612Mo3Ni79139Mo411Cr0143Ni80133Mo4193Cr0141Ni74108Ta14111Cr0155

Ni79Nb8Al112Ni7618Cu5Cr2173Ni8186Mo2158W1183Ni77Cu415Nb915

15151613201520101215131291091510101510141215152315141091813109121215

56125612

0141601296

4015

01656

0162015001750187

751680105510

49112818271046182119301058104410

0131201688014000124001480

0179

0118401480

4718

01408

4715

μm

Hc/Bs

-1

A m01560

/T01790173016801780160015201744016601810170

ρ/

μΩ

cm55106010651061107418781755127011261865107510

按照磁性原子

比理论计算

P1

P2

按新

P1=WNi%

按老

P1=WNi%

3125计算3148计算79153791778015801679127841187612372186911771218014979167801077316780199761657813676187

80132801518019831628013884167761977412769191771878019980172811027514981146791057912177154

按☆

相应的

计算

生产

ρ/

Bs/T牌号

μΩ cm按★计算

017901750168017601630151017401650184016801580179017201630161017701840152

751867514555150

1J911J76

5416559184661146417871159821655318373155241355915978170

1J771J871J881J791J851J86

311131393133315331052179312931333163312521883117313331402154313031383119

171051819422170181422911334107171792419312119221403115117136201422517033142181351311635137

40金　属　功　能　材　料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年10月

按照磁性原子

比理论计算

P1

P2

μi

合金化学成分

/104

Ni8012Nb713Ti1150Ni74135Mo0145Ta13185Ni80165Mo3121Nb318Ni71Cu15Nb113Si2Ni79.5Nb218Ti2A1015Ni8016Mo3147Nb3118Ti2184Ni78198Nb7113Mo2107Al0146Ni81132Mo3185Nb0146Cr0141

Ni79Mo4Nb1Ta1Ni77Nb218W7Al1Ni7817Mo114Cu214V112Cr1Ni79176Cr0152Mo4174Cu1187Nb0181

10141210171017148161012131514101215161015101710

μm

Hc/Bs

A m-101408012480156001400

/T

ρ/

μΩ

cm

按新

P1=WNi%

按老

P1=WNi%

3125计算3148计算801673148791947215180131821148018579166791257814517918110874187801567215181104821548113080151801017880按★

计算

Bs/T

按☆计算ρ/μΩ cm

7113265184

相应的

生产牌号

451056103112

3117

016301610174

69176410

3158315021853108

9088

31212156411131232170

72107010

3230145014801690160015701760163

3015423199241063413121119361413319117183191242919819015801650166015301740145015801741610164

5818677120

1J94

671358811985102

1J891J901J93

01320

33102215501026102911

0140001832011600160001584

表3　135mm)

Table3　Themagneticsomepurifiedpermalloys(thickness0135mm)合金

PD(4/4μm/10

Hc/A m-1Bs/T3μe(1kHz)/10

2154(>10)[≥0125]312～4154(>310)[≥016]2015～4915(>2010)[≥310]

515～910

(>510)1115～1814(>1010)4510～7210(>4010)

112～218(<410)[≤24]0172～112(<116)[≤10]0124～0144(<0148)[≤4]

1135～1138[≥111]1158～1160[114～1145]0178～0180[≥0173]

310～410[≥210]415～518[≥212]610～917[≥410]

PB(Ni46)

PC

(Ni77Mo4Cu417)

注:(1)μi的H值:PD、PB为018A/m,PC为014A/m;

(2)括号()内为保证值,方括号[]内为JISC2531-99标准值。

3　磁头材料的发展

多年来磁头外壳材料用高Ni2Fe2Mo系合金(我国牌号为1J79C,1J85C)或高Ni2Fe2Mo2Cu系合金(1J77C)。单声道磁头芯片用1J85C合金(日本牌号为PC-80),双声道和四声道磁头芯片则用含Nb较高的硬坡莫合金(1J88),或含Nb、Mo的硬韧坡莫合金1J87C、PC2271等〔5〕。在这些

过210%,甚至不含Mo(北京北冶功能材料有限公司已能生产该类合金)。

最近还发现磁头芯片的耐磨性除与合金硬度有关外还与其结晶织构有关〔6～8〕,图1显示了日本仙台电磁材料研究所在该方面的研究成果,由图可知控制适量的Nb含量和增加C、N、O含量,再配以合适的热冷加工工艺,获得{110}〈112〉、{311}〈112〉和{111}〈112〉再结晶织构,不仅磁性能高且大大提高了耐磨损性。加适量Nb和C、O、N可使不耐磨的{100}〈001〉织构减少,

合金中除Ni含量高(77%～81%)外,还含Mo(2%～515%)和Nb(4%～9%)。过去Nb的价

格高于Mo几倍,故含Nb的立体声磁头芯片价格有利于{110}〈112〉、{311}〈112〉和{111}也较高,现在Mo的价格飞涨,已大大超过Nb〈112〉织构的发展。目前,国内在磁头材料的生产价,FeNiNb合金的价格反而低于FeNiMo合金的中较少注意成分和加工工艺对织构组成及其对耐磨价格,新开发的立体声磁头芯片材料如PC-272、性的影响。PC-47等,他们含Nb量≤710%,Mo量则不超

第5期　　　　　　　　　　　　　　　牛永吉等:FeNi系坡莫合金的研究开发新进展41

表4　新廉价坡莫合金磁性能

Table4　Themagneticpropertiesofnewinexpensivepermalloys合金成分

Ni36C01005

Ni46C01001S01001P010032O22ppm2N10ppmB010035

Ni3416Mo2113C01003S01003

Ni49Cr113

Ni4316Cu612Cr0181C01001S0100042O5ppm

Ni46Mo1W1151Ni47Mo2W3Ni46Mo2Cu3Ni50Si1Ni50Ge2Ni4813Ti0108

Ni479Zr005W015Cu42Mo12Ta006

119421712146

μ4

/10

4

μ8

/10

4

μm

/10

4

HcBs

-1

/A m117211521131316119221722124116801802180

/T113211520192112611371153114011421142ρ

Ω /μcm

7585

21502175319011303110116331105180113011502180470

817017110911014101812016120181202010091001010016100890

6371695150

注:μ4和μ8为H=014A/m和018A/m时的起始磁导率。

对磁性能不利影响,,→提高1～2(,,λs处于〔9〕。最近我们发现对于含Nb615%的FeNiNb合金而言,这种作用仅对直流磁性有效,而对音频范围的交流磁导率仍不利。相反在λs→0的成分时,灌封后直流磁性能虽略有下降,而交流磁性几乎不变甚至略有升高〔10〕。

畴°畴……)如何,磁滞回线形

)如何,在一低Br扁平形和正常形……

定Bm下的总损耗Pt-f关系和一定f下的Pt-Bm关系,在双对数坐标中均显极好的线形关系,这是

D1D

“分形结构”的典型特征,可以用Pt=P0Bmf2表示,式中

D1、D2为损耗谱的分形维数,P0为有量纲的系数。分形维数越大,铁芯损耗特性越差。该公式统一表达了各种损耗机制(磁滞、涡流、剩余损耗等)所引起的总损耗随f和Bm值的变化,也反映了软磁合金在交流磁化时非线性变化的本质。表5给出了一些晶态、非晶态以及纳米晶软磁合金的损耗公式。

μ所取合金的磁性如μi、m和Hc等都达到技术标准

要求,故是典型值。由此得到的这些损耗公式对选材、设计及预测各类合金的交流磁性极有参考价值。

4　软磁合金的损耗分析

软磁合金的损耗是最重要的技术参数,实测表

明各种软磁合金不论其是Fe基、Co基、Ni基合金,也不论其结构(结晶态、非晶态或纳米晶)和

(a)Ni792Fe+Nb;(b)Ni7915Nb5152Fe+(N+O);(c)Ni8013Nb5152Fe+C

图1　Nb

(a)、(N+O)(b)和C(c)含量对磁性、耐磨性和织构的影响

Fig.1　TheeffectofNb(a)、(N+O)(b)andC(c)onthemagneticproperties,resistanceto

abrasionandtextureofpermalloys

42金　属　功　能　材　料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年10月

表5　一些典型软磁合金的损耗回归式

Table5　Theiron2lossregressionformulaofsometypicalsoftmagneticalloys

磁性状态

材料

Ni79Mo4(Vacoperm100)Ni80Mo5或Ni77Mo4Cu5

(Ultraperm10)(UltrapermF)

带厚/mm0110001200010150103001050

011000105001100

Pt/W kg-

1116067

714548Bm

210519

f

1614746Bm211621f117150

118778Bm210952f113434210500Bm210495f1150071183591150881313550Bm117647f117717717129Bm117802f1142241411470Bm

118034

条件

f:014kHz～20kHzBm:0102T～016T

f:1kHz～30kHzBm:0102T～016Tf:2kHz～20kHzBm:0102T～114Tf:014kHz～20kHzBm:0101T～110Tf:～300kHz1T～017T:4kHz～20kHzBm:0105T～016Tf:20kHz～200kHzBm:011T～014T

普通回线

Ni55(PermaxM)

Ni50

f

115184

纳米晶

Fe7619Cu016Nb215Si13B7(Bs1132T,μe715万,Hc

)

010200163Bm2f1172

高Ni坡莫合金

(UltrapermZ)Co基非晶

01050314142f115635Bm11f114175或(ΔBm)117435f116153

01

51Bm1170f11570142(△Bmf)115717929Bm118477f113594012320Bm210303f117071014198Bm211140f11734301182Bm1199f11757115Bm21475f11125010825Bm21079f21021

矩形

回线

(Vitrovac6025Z)

01020

0101801020010500102001020010180102001020

(500Z)Ni65Mo2(1J672l,PermaxF)

Co基非晶(6025F)Co基非晶(6030F)Co基非晶(2714AF)

低Br扁平回线

低Br2605SA1(μ=250/285)

纳米晶

(Vitroperm500F)

ΔBm:011T～018Tf:10kHz～300kHzBm:0101T～015Tf:1kHz～200kHz△Bm:012T～210Tf:1kHz～20kHzBm:0102T～019Tf:10kHz～100kHzBm:0102T～014Tf:5kHz～200kHzBm:0105T～017Tf:20kHz～100kHzBm:011T～014Tf:25kHz～300kHzBm:0102T～1Tf:20kHz～200kHzBm:0101T～019T

5　其他

我们在生产FeNiNb系合金时发现其磁性与最终热处理时的冷却速度有双峰的特征〔10〕,即有两个最佳冷却速度,这很难用单一的在临界有序度使K1→0来解释。

参考文献:

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收稿日期:2007-03-24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3jj4.html