坡莫合金(permalloy)

镍含量为35％～90％，并含有少量其他合金元素的高磁导率镍铁合金。这类合金最早是以在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力而著称，后来发展成可以利用调整成分和采用适当工艺，在很宽的范围内控制磁性和磁滞回线形状，其磁导率和矫顽力达到10³～10⁴倍的变化，并具有高硬度、高电阻率、低损耗等各种特性的合金。

简史 1913年美国人埃尔门(G．W．Elmen)发现，30％～90％Ni-Fe合金在弱、中磁场下具有良好的软磁特性，其中含镍78％的镍铁合金的起始磁导率μ_i最高，遂命名为坡莫合金(permalloy)，意即导磁合金。他还发现了进一步提高50％～90％Ni-Fe合金起始磁导率的特殊热处理工艺，称为“坡莫合金热处理”。1921年78％Ni-Fe合金被用于电话继电器。1924年英国人史密斯(Smith)等发明了添加铜、铬的76％Ni-Fe合金，称为“Mumetal”(英国Telcon公司生产)。1931年美国人延森(T．D．Yensen)发明了用真空熔炼和氢气高温退火的工艺，以净化合金，并发展了商品牌号为Hipernik的超级镍铁合金。1934年美国人凯萨尔(G．A．Kelsall)发现磁场热处理可明显提高铁镍合金的最大磁导率，65％Ni-Fe(65坡莫合金)经磁场热处理后，μ_max提高约10倍。1947年美国人波佐思(R．M．Bozorth)等发明了μ_i和μ_m最高的合金，称超坡莫合金。60年代初，中国钢铁研究总院发明了用横向磁场处理和加适量氧气的方法，制得了B_r和H_c接近于零，磁导率非常恒定的65％Ni-Fe合金(中国牌号1J66)。70年代以后，为适应高频开关电源和磁记录技术发展的需要，在含高镍的镍铁合金中加入铌、钽、钒、钨、钛、硅和铝等各种元素制得了高硬度、高电阻率、低损耗的高磁导率合金，成为软磁合金中性能类型最多，品种和用途最广，最具代表性的合金。

结构和磁性 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。

磁性与其成分、加工工艺和最终热处理的关系 图1示出二元镍铁合金的饱和磁化强度J_s、居里温度T_c、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K_u1、K_u2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T_c以下温度磁场热处理时产生的K_u2要比滑移形变(冷轧时)产生的K_u1小一个数量级。K_u1和K_u2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B_r的扁平回线。对镍含量为70%~80％的合金，其K_l≤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。坡莫合金的最终退火应在不含氧，露点在一40℃以下的纯氢气氛中或在真空度达10^-2～10^-3Pa的气氛中进行。

分类及性能 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4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。

(1)35％～40％Ni-Fe合金。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B_r/B_s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9W．kg^-1；而48%Ni-Fe合金带的相应损耗为14W．kg^-1．该类合金适用于方波变压器、直流变换器等。

(2)45％～50％Ni-Fe合金。该成分范围内的合金具有坡莫合金中最高的饱和磁化强度，且K₁>O，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}<oo1>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。

(3)50％～65％Ni-Fe合金。该成分范围内合金有最高的居里温度，饱和磁化强度也较高，且在有序状态K₁≈O，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，直流最大磁导率高，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，直流最大磁导率不高，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}<00l>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μ_i和μ_m。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B_r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。

(4)70%～81％Ni-Fe合金。该成分范围的坡莫合金具有最高的磁导率。虽然二元的镍铁合金中K₁和不可λ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μ_i可达40～60mH/m。1947年美国波佐思(R．M．Bozorth)等人用较纯的原材料，经真空熔炼并最终在纯净的氢气中于1200～1300℃高温退火，获得了μ_i和μ_m极高的Ni79Mo5合金，称超坡莫合金。其μ_i可达150mH/m以上，μ_m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≥O，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。

展望 铁镍坡莫合金已成为软磁合金中品种最多、规格最全的合金系列，在各行各业中，特别是在电子行业中起着重要的作用。但是由于镍含量较高，使价格较高，因此研制高磁导率的中等或低镍含量的廉价铁镍合金是重要的方向。另外，技术磁化理论在镍铁合金中已得到与实际很好符合的应用，因此，需在此基础上进一步总结成分一结构一性能之间的相互关系，并根据对各类磁特性的要求对合金的成分、制造工艺进行设计和控制。为了提高合金的成材率，进行扁锭热轧或连铸薄带等短流程的新工艺和新技术的研究也是重要的研究方向。