專利名稱：高初始磁導率合金的最佳化學成分設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)於軟磁合金化學成份的設(shè)計方法。
Enoch和Fudge在前人工作的基礎(chǔ)上，并根據(jù)他們自己用粉末冶金方法研究NiFeMo和NiFeMoCu合金的結(jié)果，提出了NiFe系高導磁合金應具有一定的“磁性原子比”理論[1.2]，這對設(shè)計高初始導磁率(μi)合金的最佳成份開辟了一條捷徑。這個理論應為(1)富Ni的二元Ni-Fe合金在最佳的短程有序下，磁晶各向異性常數(shù)K1和飽和磁致伸縮系數(shù)λS都達最小，獲得最高μi，磁性鎳原子和磁性鐵原子之比為CNi磁∶CFe＝3.48∶1(CNi磁為磁性Ni原子的原子百分含量，CFe為Fe原子的原子百分含量)。在多元合金中要獲得高μi也必須符合這個條件;
(2)在多元合金中加入非鐵磁性元素，其與Ni的親和力比Fe大，F(xiàn)e的磁矩不變(取μFe＝2.8μB)，而部分Ni原子的未滿3d帶被添加元素的價電子所填滿，自旋磁矩被抵消，這部分Ni原子被中和而失去磁性，它們和添加元素原子一樣均為非鐵磁性原子起著稀釋的作用，這對由近鄰磁性原子相互作用而產(chǎn)生的K1和λS的下降是有利的。
這樣，在多元Ni-Fe合金系中要獲得高μi，合金成份必須滿足如下方程式
P1= (CNi磁)/(CFe) = (CNi-Σ(Ai/μNi-1))/(CFe) =3.48(1)式中P1為磁性Ni原子和Fe原子的比值;
CNi磁為磁性Ni原子的原子百分含量;
CNi為Ni元素的原子百分含量;
CFe為Fe元素的原子百分含量;
Ai為i種添加元素的價電子數(shù);
μNi為Ni的原子磁矩，它等于0.6μB。
另外，他們還認為非鐵磁性原子的總量Z= (ΣAiCi)/(μNi) ≯33at%，因為Z太大，使合金的飽和磁化強度Ms下降，由于μiαMs2/(K1+3/2λSσ)(式中σ為內(nèi)應力的大小)故μi會下降。
Z＝∑AiCi/μNi＝P2/μNi，令P2＝∑AiCi (2)Z≯33at% 即P2≯19.8at%后來Rassmann[3，4]進一步發(fā)展了上述理論，認為高μi合金的成份須滿足下列公式P1＝CNi磁/CFe＝3.65±0.6CFe＝14.5±1.5at%
P2＝∑AiCi＝(19.5±1.5)at%雖然他們放寬了對P1的要求，但還對P2、CFe提出了較嚴的限制，該作者指出用上面公式設(shè)計的合金性能可達如下水平μi≈125mH/m(100000Gs/Oe)，飽和磁感應強度Bs≈0.75T，居里溫度Tc＝400℃，電阻率ρ＝65μΩ·cm(加過渡元素時)或32μΩ·cm(加其他金屬元素時)。
上述磁性原子比理論是在1966～1969年間提出的，以后曾為各種鐵磁學及磁性材料書刊論文所引用。從七十年代以來由于磁記錄技術(shù)以及高頻開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的需要，出現(xiàn)了一大批諸如高硬度高導磁、較高硬度高Bs以及高電阻率高頻低損耗等各類高導磁Ni-Fe合金。顯然上述經(jīng)驗規(guī)律的明顯缺點是(1)規(guī)則提出的依據(jù)較少，只是根據(jù)含Mo、Cu等有限的合金系上提出;
(2)沒有充分的驗證;
(3)對合金元素的價電子數(shù)沒有作深入考查。由于沒有計算飽和磁化強度數(shù)值，故也未對Fe的原子磁矩值作考查，只簡單地取早期文獻中數(shù)據(jù)μFe＝2.80μB;
(4)實際應用少，未能真正成為指導實際成份設(shè)計的工具。
國內(nèi)學者[5.6]也曾對此經(jīng)驗規(guī)律進行過研究，同樣也存在上述缺點。
本發(fā)明的目的在于
(1)能按性能要求設(shè)計最佳成份。
(2)能按已知合金成份預測其磁性的好壞。
本

發(fā)明內(nèi)容
(1)根據(jù)對100個μi≥100mH/m(80000Gs/Oe)合金成份的統(tǒng)計運算(見附件一)得到了新的最佳成份的磁性原子比規(guī)律(見表1)表1.高μi合金的磁性原子比規(guī)律

本發(fā)明的特點，在于非磁性原子的總量可以比較高Z＝P2/μNi≈42.3at%，最大可達54.27at%，比Enoch和Rassmann的大得多，但由于CFe的范圍比較小，使P1仍在比較小的范圍，基本上與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CFe有如下關(guān)系(設(shè)P2＝∑AiCi)P1= (CNi磁)/(CFe) = (CNi-Σ[(Ai/μNi)-1]Ci)/(CFe)
= (CNi-(5/3)ΣAiCi+ΣCi)/(CFe)= ((CNi+ΣCi)-(5/3)P2)/(CFe)= ((100-CFe)-(5/3)P2)/(CFe)經(jīng)換算可得P2＝60-0.6CFe(1+P1) (3)(2)對常用添加元素Mo、Cu、Nb、Ta、Al、Ti、V、W、Si、Mn、Cr等的價電子數(shù)進行了驗證，最后選合金元素的價電子數(shù)如表2所示，其中Ta、Ti、Mn元素的價電子數(shù)與原文獻不同，作了修正。
表2.常用添加合金元素的價電子數(shù)

＊Mn的價電子數(shù)見發(fā)明內(nèi)容(2)(3)認為當Mn≤1.5at%時，Mn起“增Ni”作用，每個Mn原子對合金磁性的貢獻為2.6μB＝(13/3)μNi。
所以含Mn合金的磁性Ni原子含量應為CNi磁＝CNi+(13/3)CMn-∑[(Ai/μNi)-1]Ci (4)式中CMn為Mn元素的原子百分含量，CNi為Ni元素的原子百分含量，Ai、Ci為i種元素的價電子數(shù)和原子百分含量。μNi＝0.60μB為Ni的原子磁矩。
(4)在高μi合金中的原子磁矩μFe應取2.62μB，這與文獻[1]中的μFe＝2.80μB，[5]中μFe＝2.20μB不同。
(5)μi≥100mH/m(80000Gs/Oe的Ni含量。公式為按原子百分比表示CNi＝76.47+∑(0.392Ai-1)Ci (5)按重量百分比表示W(wǎng)Ni＝77.36+∑[13.29(ni/mi)-0.774]Wi (6)式中Wi、mi、ni分別為i種元素的重量百分含量、原子量和每個i種元素原子可“中和”的Ni原子數(shù)ni＝(Ai/μNi)-1＝(Ai/0.6)-1 (7)表3列出了13個高μi合金系的最佳Ni含量計算公式，它們經(jīng)組合后也可適合于其它更多元、更復雜的合金系。
表3不同合金系的最佳Ni含量計算公式(Wt%)

6.高μi合金Js(飽和磁化強度)的計算

式中μ為合金的平均原子磁矩μ＝(1/100)｛CNi磁×μNi+CFe×μFe｝＝(1/100)｛[CNi-1/3∑(5Ai-3)Ci]μNi+CFe×μFe｝＝(1/100)｛[CNi-1/3∑(5Ai-3)Ci]×0.6+2.62CFe｝ (9)上式中Nav為阿佛加德羅常數(shù)m為合金平均原子量d為合金密度μNi、μFe為Ni和Fe的原子磁矩，分別等于0.6μB和2.62μB。
注Js和μ的計算公式與文獻中一致，關(guān)鍵是我們?nèi)〉腁i和μFe不同，故而得出的Js不同。
用上述公式計算的Js值與實際值之差≯0.05T的占80%以上。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)最佳Ni含量更接近于實測值。用23個不同添加元素(Me)的，并在同一合金系具有最高μi的合金進行了驗證，有18個合金與本發(fā)明的計算值更相近(見附件二)，優(yōu)于文獻的計算值。
(2)計算的Js與實測值更相近。用80個μi≥100mH/m(80000Gs/Oe)的合金進行驗算，二者相差＜0.05T的達81.25%。(見附件一)(3)用本方法按合金性能要求來設(shè)計最佳化學成份或用本方法驗算已知合金的軟磁性能的好壞，證明是很好的。


圖中abcdef為本發(fā)明的成分范圍;
ghij為Rassmann的成分范圍;
mn為Enoch的成分范圍。
實施例1.按軟磁性能要求設(shè)計成份要獲得廉價的μi≥100mH/m(80000Gs/Oe)的合金，現(xiàn)在有二個途徑一個是在保持高μi的前題下，盡量降低昂貴的Ni含量，并且少加或不加其它昂貴的元素如Nb，Ta等，但由于Ni含量的降低，偏離了P1＝3.25的規(guī)律，使μi下降，故此種辦法受到限制。另一個途徑是多加返回料，少用全新料，使P1值仍有保證，容易獲得高μi而成本可大大下降。
我們采用第二種辦法開發(fā)了如下一種廉價高μi合金，由于返回料中除含F(xiàn)e、Ni外還常含有Mo、Cr、Cu、Nb等元素，故成份設(shè)計如下定P2＝∑AiCi＝25.4，P1＝3.25，根據(jù)返回料成份Ci為Mo～3at%，Cu～1.7at%，Cr～0.6at%，Nb～0.6at%
根據(jù)P2＝60-0.6CFe(1+P1)式計算得CFe≈13.57at%計算最佳Ni含量為CNi＝76.47+∑(0.392 Ai-1)Ci＝80.56at%換算為重量百分數(shù)Wt%，新合金的成份為Ni79Mo4.8Cu1.8Cr0.5Nb0.8Mn0.5Fe12.6＊注原子百分含量和重量百分含量換算公式Wi＝ (MiCi)/(∑MiCi) ×100%(Wt%)Wi-i元素的重量百分數(shù)。
Mi、Ci-i元素的原子量和原子百分數(shù)。
新的廉價合金成份中加0.5Wt%Mn是為了改善鋼錠的熱加工性，這樣新合金的返回料加入量一般可達50～70%。
新合金的性能可達如下水平(0.094mm厚)μ0.08A/m＝100mH/m(80000Gs/Oe)μ0.4A/m＝150mH/m(120000Gs/Oe)μm＝347.5mH/m(278000Gs/Oe)Hc＝0.848A/mB10＝0.73T2.按已知合金成份預測軟磁性能例如對含W合金的軟磁性好壞進行預測。實際成份為
Ni77.44Mo3.19W0.63Cu4.48Mn0.51(wt%)，這樣的含W合金有十幾爐達2噸多。根據(jù)式(1)和(2)計算得磁性原子比P1＝3.99，P2＝17.28，這與我們得到的規(guī)律偏差不大(見表2)，只要熱處理工藝得當，應仍可獲得較高的性能，后經(jīng)H21100℃×2小時100℃/時冷卻到450～500℃快冷熱處理后，性能達到μ0.08A/m＝62.5mH/m(50000Gs/Oe)μ0.4A/m＝122.5mH/m(98000Gs/Oe)μm＝338.75mH/m(271000Gs/Oe)Hc＝0.552A/mB10＝0.75T參考文獻[1]R.D.Enoch，A.D.FudgeBrit.JAP1966.17623-634. R.D.Enoch，D.L.MorrellIEEEMAG-51969.5(3)[3]G.Rassmann，U.HofmannJAP1968.17603-605[4]東德專利No67249(G.Rassmann)[5]戴禮智金屬材料研究1975.3.(2)141-149[6]何開元精密合金材料學冶金工業(yè)出版社1991，67-69
權(quán)利要求
1.高初始磁導率合金的最佳化學成份設(shè)計方法，其特征在于當μi≥80000時，合金最佳化學成份應符合下列規(guī)律P1= (CNi磁)/(CFe) = (CNi-Σ[(Ai/μNi)-1]Ci)/(CFe) =3.25±0.52P2=∑AiCi=25.4±7.16(at%)CFe=13.58±2.05(at%)
2.按權(quán)利要求1所說的設(shè)計方法，其中常用添加元素Mo、Cu、Nb、Al、V、W和Si的價電子數(shù)與周期表位置一樣，其特征在于添加元素Ta的價電子數(shù)修正為3.2，Ti為3.77。
3.按權(quán)利要求1所說的設(shè)計方法，其特征在于合金元素Mn的作用，當Mn≤1.5at%時，Mn起“增Ni”作用，每個Mn原子對合金磁性的貢獻為2.6μB＝(13/3)μNi，所以含Mn合金的磁性Ni原子含量應為CNi磁＝CNi+(13/3)CMn-∑[(Ai/μNi)-1]Ci
4.按權(quán)利要求1所說的設(shè)計方法，其特征在于在高NiFe合金中Fe的原子磁矩μFe＝2.62μB。
5.按權(quán)利要求1所說的設(shè)計方法，其特征在于最佳Ni含量計算公式為(除含Mn元素以外)CNi＝76.47+∑(0.392Ai-1)CiWNi＝77.36+∑[13.29(ni/mi)-0.774]Wi
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于高初始磁導率合金最佳化學成分的設(shè)計方法，目的是(1)要能按性能要求設(shè)計最佳成分。(2)要能按已知合金的成分預測其磁性的好壞。本發(fā)明內(nèi)容包括若干常用添加元素的價電子數(shù)，最佳成分時的磁性原子比數(shù)值，Mn元素的“增Ni”作用，F(xiàn)c元素的原子磁矩值，含各種添加元素高導磁合金的最仕Ni含量計算公式以及合金飽和磁化強度的計算等。本發(fā)明用最佳Ni含量和飽和磁化強度的計算值和已知合金的實際值對比的方法驗證了本發(fā)明方法的正確性。
文檔編號C22C19/03GK1074488SQ9211055
公開日1993年7月21日 申請日期1992年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月17日
發(fā)明者陳國鈞, 呂鍵 申請人:首鋼總公司