CN1074488A

CN1074488A - 高初始磁导率合金的最佳化学成分设计方法

Info

Publication number: CN1074488A
Application number: CN 92110553
Authority: CN
Inventors: 陈国钧; 吕键
Original assignee: Shougang Corp
Current assignee: Shougang Corp
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1993-07-21

Abstract

本发明是关于高初始磁导率合金最佳化学成分的设计方法，目的是(1)要能按性能要求设计最佳成分。(2)要能按已知合金的成分预测其磁性的好坏。本发明内容包括若干常用添加元素的价电子数，最佳成分时的磁性原子比数值，Mn元素的“增Ni”作用， Fc元素的原子磁矩值，含各种添加元素高导磁合金的最仕Ni含量计算公式以及合金饱和磁化强度的计算等。本发明用最佳Ni含量和饱和磁化强度的计算值和已知合金的实际值对比的方法验证了本发明方法的正确性。

Description

本发明是关於软磁合金化学成份的设计方法。

Enoch和Fudge在前人工作的基础上，并根据他们自己用粉末冶金方法研究NiFeMo和NiFeMoCu合金的结果，提出了NiFe系高导磁合金应具有一定的“磁性原子比”理论[1.2]，这对设计高初始导磁率（μ_i）合金的最佳成份开辟了一条捷径。这个理论应为：

（1）富Ni的二元Ni-Fe合金在最佳的短程有序下，磁晶各向异性常数K₁和饱和磁致伸缩系数λ_S都达最小，获得最高μ_i，磁性镍原子和磁性铁原子之比为：C_Ni磁∶C_Fe＝3.48∶1（C_Ni磁为磁性Ni原子的原子百分含量，C_Fe为Fe原子的原子百分含量）。在多元合金中要获得高μ_i也必须符合这个条件;

（2）在多元合金中加入非铁磁性元素，其与Ni的亲和力比Fe大，Fe的磁矩不变（取μ_Fe＝2.8μ_B），而部分Ni原子的未满3d带被添加元素的价电子所填满，自旋磁矩被抵消，这部分Ni原子被中和而失去磁性，它们和添加元素原子一样均为非铁磁性原子起着稀释的作用，这对由近邻磁性原子相互作用而产生的K₁和λ_S的下降是有利的。

这样，在多元Ni-Fe合金系中要获得高μ_i，合金成份必须满足如下方程式：

P₁= (C_Ni磁)/(C_Fe) = (C_Ni-Σ(A_i/μ_Ni-1))/(C_Fe) =3.48（1）

式中：P₁为磁性Ni原子和Fe原子的比值;

C_Ni磁为磁性Ni原子的原子百分含量;

C_Ni为Ni元素的原子百分含量;

C_Fe为Fe元素的原子百分含量;

Ai为i种添加元素的价电子数;

μ_Ni为Ni的原子磁矩，它等于0.6μ_B。

另外，他们还认为非铁磁性原子的总量Z= (ΣA_iC_i)/(μ_Ni) ≯33at%，因为Z太大，使合金的饱和磁化强度Ms下降，由于μ_iαMs²/（K₁+3/2λ_Sσ）（式中σ为内应力的大小）故μ_i会下降。

Z＝∑AiCi/μ_Ni＝P₂/μ_Ni，令P₂＝∑AiCi （2）

Z≯33at% 即P₂≯19.8at%

后来Rassmann[3，4]进一步发展了上述理论，认为高μ_i合金的成份须满足下列公式：

P₁＝C_Ni磁/C_Fe＝3.65±0.6

C_Fe＝14.5±1.5at%

P₂＝∑AiCi＝（19.5±1.5）at%

虽然他们放宽了对P₁的要求，但还对P₂、C_Fe提出了较严的限制，该作者指出：用上面公式设计的合金性能可达如下水平：μ_i≈125mH/m（100000Gs/Oe），饱和磁感应强度Bs≈0.75T，居里温度Tc＝400℃，电阻率ρ＝65μΩ·cm（加过渡元素时）或32μΩ·cm（加其他金属元素时）。

上述磁性原子比理论是在1966～1969年间提出的，以后曾为各种铁磁学及磁性材料书刊论文所引用。从七十年代以来由于磁记录技术以及高频开关电源技术发展的需要，出现了一大批诸如高硬度高导磁、较高硬度高Bs以及高电阻率高频低损耗等各类高导磁Ni-Fe合金。显然上述经验规律的明显缺点是：

（1）规则提出的依据较少，只是根据含Mo、Cu等有限的合金系上提出;

（2）没有充分的验证;

（3）对合金元素的价电子数没有作深入考查。由于没有计算饱和磁化强度数值，故也未对Fe的原子磁矩值作考查，只简单地取早期文献中数据μ_Fe＝2.80μ_B;

（4）实际应用少，未能真正成为指导实际成份设计的工具。

国内学者[5.6]也曾对此经验规律进行过研究，同样也存在上述缺点。

本发明的目的在于：

（1）能按性能要求设计最佳成份。

（2）能按已知合金成份预测其磁性的好坏。

本发明内容：

（1）根据对100个μ_i≥100mH/m（80000Gs/Oe）合金成份的统计运算（见附件一）得到了新的最佳成份的磁性原子比规律（见表1）

表1.高μ_i合金的磁性原子比规律

本发明的特点，在于非磁性原子的总量可以比较高：Z＝P₂/μ_Ni≈42.3at%，最大可达54.27at%，比Enoch和Rassmann的大得多，但由于C_Fe的范围比较小，使P₁仍在比较小的范围，基本上与Enoch和Rassmann的值相近。另外由于可以加入更多的合金元素，使合金的平均原子磁矩μ接近或低于Ni的原子磁矩值。

P₁、P₂和C_Fe有如下关系：（设P₂＝∑AiCi）

P₁= (C_Ni磁)/(C_Fe) = (C_Ni-Σ[(Ai/μ_Ni)-1]C_i)/(C_Fe)

= (C_Ni-(5/3)ΣAiCi+ΣCi)/(C_Fe)

= ((C_Ni+ΣCi)-(5/3)P₂)/(C_Fe)

= ((100-CFe)-(5/3)P₂)/(C_Fe)

经换算可得：P₂＝60-0.6C_Fe（1+P₁）（3）

（2）对常用添加元素Mo、Cu、Nb、Ta、Al、Ti、V、W、Si、Mn、Cr等的价电子数进行了验证，最后选合金元素的价电子数如表2所示，其中Ta、Ti、Mn元素的价电子数与原文献不同，作了修正。

表2.常用添加合金元素的价电子数

＊ Mn的价电子数见发明内容（2）

（3）认为当Mn≤1.5at%时，Mn起“增Ni”作用，每个Mn原子对合金磁性的贡献为：2.6μ_B＝（13/3）μ_Ni。

所以含Mn合金的磁性Ni原子含量应为：

C_Ni磁＝C_Ni+（13/3）C_Mn-∑[（Ai/μ_Ni）-1]Ci （4）

式中C_Mn为Mn元素的原子百分含量，C_Ni为Ni元素的原子百分含量，Ai、Ci为i种元素的价电子数和原子百分含量。μ_Ni＝0.60μ_B为Ni的原子磁矩。

（4）在高μ_i合金中的原子磁矩μ_Fe应取2.62μ_B，这与文献[1]中的μ_Fe＝2.80μ_B，[5]中μ_Fe＝2.20μ_B不同。

（5）μ_i≥100mH/m（80000Gs/Oe的Ni含量。公式为：

按原子百分比表示：C_Ni＝76.47+∑（0.392Ai-1）Ci （5）

按重量百分比表示：W_Ni＝77.36+∑[13.29（ni/mi）-0.774]Wi （6）

式中：Wi、mi、ni分别为i种元素的重量百分含量、原子量和每个i种元素原子可“中和”的Ni原子数：

ni＝（Ai/μ_Ni）-1＝（Ai/0.6）-1 （7）

表3列出了13个高μ_i合金系的最佳Ni含量计算公式，它们经组合后也可适合于其它更多元、更复杂的合金系。

表₃不同合金系的最佳_Ni含量计算公式（Wt%）

6.高μ_i合金Js（饱和磁化强度）的计算：

式中 μ为合金的平均原子磁矩：

μ＝（1/100）｛C_Ni磁×μ_Ni+C_Fe×μ_Fe｝

＝（1/100）｛[C_Ni-1/3∑（5Ai-3）Ci]μ_Ni+C_Fe×μ_Fe｝

＝（1/100）｛[C_Ni-1/3∑（5Ai-3）Ci]×0.6+2.62C_Fe｝（9）

上式中：Nav为阿佛加德罗常数

m为合金平均原子量

d为合金密度

μ_Ni、μ_Fe为Ni和Fe的原子磁矩，分别等于0.6μ_B和2.62μ_B。

注：Js和μ的计算公式与文献中一致，关键是我们取的Ai和μ_Fe不同，故而得出的Js不同。

用上述公式计算的Js值与实际值之差≯0.05T的占80%以上。

本发明的优点：

（1）最佳Ni含量更接近于实测值。用23个不同添加元素（Me）的，并在同一合金系具有最高μ_i的合金进行了验证，有18个合金与本发明的计算值更相近（见附件二），优于文献的计算值。

（2）计算的Js与实测值更相近。用80个μ_i≥100mH/m（80000Gs/Oe）的合金进行验算，二者相差＜0.05T的达81.25%。（见附件一）

（3）用本方法按合金性能要求来设计最佳化学成份或用本方法验算已知合金的软磁性能的好坏，证明是很好的。

附图说明：

图中abcdef为本发明的成分范围;

ghij为Rassmann的成分范围;

mn为Enoch的成分范围。

实施例：

1.按软磁性能要求设计成份：

要获得廉价的μ_i≥100mH/m（80000Gs/Oe）的合金，现在有二个途径：一个是在保持高μ_i的前题下，尽量降低昂贵的Ni含量，并且少加或不加其它昂贵的元素如Nb，Ta等，但由于Ni含量的降低，偏离了P₁＝3.25的规律，使μ_i下降，故此种办法受到限制。另一个途径是多加返回料，少用全新料，使P₁值仍有保证，容易获得高μ_i而成本可大大下降。

我们采用第二种办法开发了如下一种廉价高μ_i合金，由于返回料中除含Fe、Ni外还常含有Mo、Cr、Cu、Nb等元素，故成份设计如下：

定P₂＝∑AiCi＝25.4，P₁＝3.25，

根据返回料成份Ci为：Mo～3at%，Cu～1.7at%，

Cr～0.6at%，Nb～0.6at%

根据P₂＝60-0.6C_Fe（1+P₁）式计算得C_Fe≈13.57at%

计算最佳Ni含量为：

C_Ni＝76.47+∑（0.392 Ai-1）Ci＝80.56at%

换算为重量百分数Wt%，新合金的成份为：

Ni79Mo4.8Cu1.8Cr0.5Nb0.8Mn0.5Fe12.6

＊注：原子百分含量和重量百分含量换算公式：

Wi＝ (MiCi)/(∑MiCi) ×100%（Wt%）

Wi-i元素的重量百分数。

Mi、Ci-i元素的原子量和原子百分数。

新的廉价合金成份中加0.5Wt%Mn是为了改善钢锭的热加工性，这样新合金的返回料加入量一般可达50～70%。

新合金的性能可达如下水平（0.094mm厚）：

μ_0.08A/m＝100mH/m（80000Gs/Oe）

μ_0.4A/m＝150mH/m（120000Gs/Oe）

μm＝347.5mH/m（278000Gs/Oe）

Hc＝0.848A/m

B₁₀＝0.73T

2.按已知合金成份预测软磁性能：

例如对含W合金的软磁性好坏进行预测。实际成份为：

Ni77.44Mo3.19W0.63Cu4.48Mn0.51（wt%），这样的含W合金有十几炉达2吨多。根据式（1）和（2）计算得：

磁性原子比P₁＝3.99，

P₂＝17.28，

这与我们得到的规律偏差不大（见表2），只要热处理工艺得当，应仍可获得较高的性能，后经H₂1100℃×2小时100℃/时冷却到450～500℃快冷热处理后，性能达到：

μ_0.08A/m＝62.5mH/m（50000Gs/Oe）

μ_0.4A/m＝122.5mH/m（98000Gs/Oe）

μm＝338.75mH/m（271000Gs/Oe）

Hc＝0.552A/m

B₁₀＝0.75T

参考文献：

[1]R.D.Enoch，A.D.Fudge Brit.JAP 1966.17 623-634.

[2]R.D.Enoch，D.L.Morrell IEEE MAG-5 1969.5（3）

[3]G.Rassmann，U.Hofmann JAP 1968.17 603-605

[4]东德专利 No67249（G.Rassmann）

[5]戴礼智金属材料研究 1975.3.（2）141-149

[6]何开元精密合金材料学冶金工业出版社 1991，67-69

Claims

1、高初始磁导率合金的最佳化学成份设计方法，其特征在于当μi≥80000时，合金最佳化学成份应符合下列规律：

P₁= (C_Ni磁)/(C_Fe) = (C_Ni-Σ[(A_i/μ_Ni)-1]C_i)/(C_Fe) =3.25±0.52

P₂=∑A_iC_i=25.4±7.16(at%)

C_Fe=13.58±2.05(at%)

2、按权利要求1所说的设计方法，其中常用添加元素Mo、Cu、Nb、Al、V、W和Si的价电子数与周期表位置一样，其特征在于添加元素Ta的价电子数修正为3.2，Ti为3.77。

3、按权利要求1所说的设计方法，其特征在于合金元素Mn的作用，当Mn≤1.5at%时，Mn起“增Ni”作用，每个Mn原子对合金磁性的贡献为2.6μ_B＝（13/3）μ_Ni，所以含Mn合金的磁性Ni原子含量应为：

C_Ni磁＝C_Ni+（13/3）C_Mn-∑[（A_i/μ_Ni）-1]C_i

4、按权利要求1所说的设计方法，其特征在于在高NiFe合金中Fe的原子磁矩μ_Fe＝2.62μ_B。

5、按权利要求1所说的设计方法，其特征在于最佳Ni含量计算公式为（除含Mn元素以外）：

C_Ni＝76.47+∑（0.392A_i-1）C_i

W_Ni＝77.36+∑[13.29（ni/mi）-0.774]Wi