1J22高饱和磁感应强度软磁合金

1J22高饱和磁感应强度软磁合金简介
一、软磁合金简介
1.1 软磁合金简介
软磁合金（soft magnetic alloy）是在弱磁场中具有高的磁导率及低的矫顽力的一类合金，在外磁场作用下容易磁化，去除磁场后磁感应强度又基本消失的磁性合金。

这类合金广泛应用于无线电电子工业、精密仪器仪表、遥控及自动控制系统中，综合起来主要用于能量转换和信息处理两大方面，是国民经济中的一种重要材料。

其磁滞回线面积小而窄，矫顽力一般<800A/m，电阻率高，涡流损耗小，导磁率高，饱和磁感高。

一般都加工成板材和带材，熔融法制备，主要用作电器、电信工业中的各种铁芯元件（如变压器铁芯、继电器铁芯、扼流圈等）。

常用软磁合金有低碳电工钢、阿姆科铁、硅钢片、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金、铁硅软磁合金等。

1.2 软磁合金的物理性能
软磁合金的磁滞回线面积小且窄，矫顽力（Hc）一般<10 Oe
（1Oe≈79.6A/m）。

软磁合金的主要磁特性是：
1 矫顽力(Hc)和磁滞损耗(Wh)低；
2 电阻率(ρ)较高，涡流损耗(We)低；
3 起始磁导率(μ0)和最大磁导率(μm)高；某些合金在低磁场范围内磁导率(B/H)保持恒定；
4 饱和磁感(Bs)高；
5 某些合金磁滞回线呈矩形，矩形比即剩磁/最大磁感(Br/Bm)高。

这些磁性能同合金的结构状态和成分密切相关。

合金中的碳、硫、氮和氧等杂质对磁性特别有害，因为它们使晶格畸变，难以磁化，碳和氮还会引起磁时效现象。

软磁合金一般要求成品晶粒尺寸大，以便降低Hc和Wh值。

一般铁磁性金属的磁性随晶轴方向不同而异，如铁的<100>方向易于磁化，<111>方向难于磁化。

因此控制晶粒取向可以在材料的特定方向获得更好的磁性能。

铁的电阻率(ρ)低，添加某些合金元素可以提高ρ值，加硅和铝的效果最为明显。

在铁中加入任何合金元素（除钴外），都会使它的饱和磁感Bs降低。

1.3 软磁合金的发展和分类
19世纪末用低碳钢板制造电机和变压器铁芯。

1900年磁性更高的硅钢片很快取代了低碳钢，用来制造电力工业的产品。

1917年出现了Ni-Fe合金以适应当时电话系统的需要。

后来又出现了具有不同磁特性的Fe-Co合金(1929)、Fe-Si-Al 合金(1936)和Fe-Al合金（1950）以满足特殊用途。

中国于1953年开始生产热轧硅钢片。

50年代末开始研究Ni-Fe和Fe-Co等软磁合金，60年代陆续开始生产一些主要的软磁合金。

70年代开始生产冷轧硅钢带。

软磁合金可分为低碳电工钢和阿姆科铁、硅钢片、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金、铁硅铝软磁合金等，在电力工业方面，主要采用在较高磁场下具有高磁感和低铁芯损耗的合金。

在电子工业方面，主要采用在低或中等磁场下具有高磁导率和低矫顽力的合金。

在高频下则须采用薄的带材或更高电阻率的合金。

一般都用板材或带材。

表1 软磁合金牌号及用途
1.4 Fe-Co基软磁合金的发展和应用
为了获得更加优异的综合性能，Fe-Co 合金作为软磁材料从合金微观组织形态上经历了从晶态组织到非晶纳米晶组织的发展过程。

其合金成分也随之发生了由二元合金到多元合金的演变。

1.4.1 传统的Fe-Co晶态合金
Fe-Co二元晶态合金由3种物相组成，即体心立方(bcc) α′无序晶体结构、体心立方 (bcc) 相及面心立方(fcc)相。

研究已表明，含 35%Co 的Fe-Co 合金饱和磁通密度Bs达到最大值，其Bs值可达2.45 T，居里点约为900℃，而且，Fe-Co 合金的居里点随其钴含量的增加而提高。

约含50%Co时居里点最高，为980℃，此时，合金的磁晶各向异性常数K 1值接近于零，具有最高的磁导率。

但是，Fe-Co晶态合金涡流损耗较高，只适于在直流和低频条件下使用，目前主要用于航空发电机和电动机、大功率脉冲变压器铁芯等。

1.4.2 Fe-Co基非晶软磁材料
随着非晶制备技术的发展和对非晶合金软磁性能的不断认识， Fe-Co非晶合金逐渐得到了材料研究者的特别关注和深入研究。

按照Inoue提出的非晶形成 3条经验法则，研究者在Fe-Co二元晶态合金中添加约 20%（原子分数）不同配比的Si、B、C、P等类金属非磁性元素用于提高合金的非晶形成能力，其余约80%为Fe、Co、Ni 等磁性元素作为基体合金，从而研制出了Fe-Co基非晶软磁材料。

由于受非晶形成能力和制备过程中传热的限制，目前只能获得低维产品，工业应用的Fe-Co非晶软磁合金材料主要是通过对粒状、带状等低维非晶材料进行热挤压、热轧、热锻等后续加工来获得各种形状的产品。

虽然，Fe-Co 基合金非晶带材已经广泛用于各种变压器和电感器，成为电力、电子和信息领域不可缺少的重要基础材料。

但是其形状特征在某些方面也始终限制着它的许多应用。

随着块体非晶材料制备技术的不断创新和发展，大体积块体非晶材料的出现为扩大Fe-Co非晶软磁合金的应用提供了基础。

然而，与其它非晶态合金一样， Fe-Co基非晶软磁材料由于非晶态处于非平衡态，具有向平衡晶态转化的趋势，这种不稳定性限制了它的应用范围，一般只能在较低的温度下使用，因而提高非晶合金的稳定性已是当务之急。

同时，Fe-Co 基非晶合金材料的矫顽力和高频损耗还有待于进一步降低，并且也存在脆性和可加工性差的缺点。

1.4.3 FeCo 纳米晶软磁材料
1988 年日本人Yoshizawa在FeSiB 合金基体中加入少量Cu和Nb，首先利用熔体急冷法制备出了非晶态合金，随后经过热处理得到了高磁导率、低损耗、低磁致伸缩的Fe基纳米晶材料（商品名为FINEMET）。

虽然，由于其优异的软磁性能，Fe基纳米晶材料受到了各国材料科学工作者和产业界的关注。

但是由于Fe 基纳米晶合金较低的居里温度（TC <300℃），限制了其在高温情况下的应用。

20世纪90年代末期， Willard用Co部分替代FeZrBCu非晶合金(商品名为 NANOPERM)中的Fe得到了纳米晶非晶共存的 FeCoZrBCu 合金（商品名为HITPERM）。

由于该合金中非晶相和纳米晶相居里温度的提高，使材料的高温性能明显得到改善，使用温度可达600℃。

此后，Fe-Co 基纳米晶合金得到了快速发展和应用。

1.5 本文的目的
1J22合金是一种具有较高的饱和磁化强度、磁导率、居里点、较低的矫顽力以及损耗小等优点的软磁合金，它适用于制造要求体积小、重量轻的元器件。

已广泛用于飞行器电源变压器和机载雷达变压器、电磁铁极头、微电机转子、继电器、换能器、耳机振动膜等。

2015年10月份我司发展部了解到某公司有1J22合金带材的需求，而我司并不具备1J22合金的生产经验，对这种合金的了解和技术积累基本是一片空白。

本文将从发展和应用、理化性能、加工工艺等方面系统的介绍1J22合金，为我司实现1J22合金的生产加工提供指导。

二、 1J22高饱和磁感应强度软磁合金简介
2.1 1J22合金牌号
高饱和磁感应强度软磁合金中国国家标准中规定的牌号为1J22(Co50V2)，其他国家的类似牌号是AFK502(法国)，49КФ(俄罗斯)，Permendur 49(英国)，UNS R30005(美国)，Supermendur(美国)，HiperCo50(美国)。

2.2 1J22合金的化学成分
表2 1J22化学成分（%）
备注：根据GB/T 15002-1994 2.3 1J22合金的物理性能
表3 1J22物理性能
表4 1J22经热处理后的磁性能
备注：根据GB/T 15002-1994
表5 1J22在不同厚度时的铁损（W/kg）
2.4 1J22合金的尺寸及允许偏
表5 1J22尺寸及允许偏差
备注：根据GB/T 15002-1994
2.5 1J22合金的技术标准
GB/T 15001-1994 《软磁合金尺寸、外形、表面质量、实验方法和检验规则》
GB/T 15002-1994 《高饱和磁感应强度软磁合金技术条件》
A801/A801M-99 《UNS R30005和 K92650锻造铁钴高饱和磁感应强度软磁合金规范》
2.6 1J22合金的应用
1J22是高饱和磁感应强度铁钴钒软磁合金，是现有的软磁合金中饱和磁感应强度最高的（Bs=2.45T），饱和磁致伸缩系数最大(60～100×10-6)，居里点也很高(980℃)，是居里点最高的软磁合金。

由于饱和磁感应强度高，在制作同等功率的电机时，可大大缩小体积，在作电磁铁时，在同样截面积下能产生大的吸合力。

由于居里点高，可使该合金能在其他软磁材料已经完全退磁的较高温度下工作，并保持良好的磁稳定性。

由于有大的磁致伸缩系数，极适于作磁致伸缩换能器，输出能量高，工作效率也高。

该合金电阻率低(0.4μΩ·m)，不宜在高频下使用。

通过加入1.4～1.8的V元素，大大的改善了该合金的冷加工塑性，但V的加入降低了磁性。

由于1J22合金具有上述特点，因此，他被用于要求高Bs（磁感应强度）、高λs（饱和磁致伸缩系数）和低频、高温下使用的铁磁原件。

如电磁铁极头，磁控管中的端焊管，电话耳机耳膜振动膜，力矩马达转子、微电子转子、磁致伸缩换能器铁芯、电源变压器、继电器、换能器等……。

1J22铁钴钒软磁合金已生产、使用多年，性能稳定，材料较成熟。

成品规格主要是热轧材、锻材、冷拉丝、冷轧带。

但1J22合金同时存在价格较贵、易氧化、加工性能差等缺点，一定程度上限制了其使用范围。

三、 1J22合金的生产工艺
3.1 1J22合金的冶炼和铸造
1J22合金熔炼与铸造工艺采用真空感应炉(VIM)熔炼。

生产过程中如采用全新料冶炼时，由于含Co量高，气体较多，冶炼时很容易产生钢液溅射的现象，造成化学成分难于控制和粘结坩埚。

因此在冶炼时可配入40～50%的返回料可以减少钢液的喷溅。

配入的C也需在装料时全部加入坩埚中，这样可以避免在精炼时加C 造成大量气体上升和钢液沸腾喷溅。

从《采用不同返回比试制软磁合金1J22热轧带材的研究》一文中可以看出，采用不同的返回比而制定的与其相应的工艺可以生产出符合GB/T 15001-94 和
GB/T 15002-94标准的1J22合金热轧带材，且用不同的返回比生产出来的带材其性能也非常接近。

随着返回比的增大，其带材成本也大幅下降。

同时，如果全部采用全新料冶炼，锻造时容易出现肉眼可见的小裂纹，原因如下：全新料熔清后浮在钢水面上的炉渣较多（全新料加入的钒铁较多，而钒铁中的夹杂物较多，会形成较多的炉渣），而这些炉渣在真空浇注时残留在真空锭的表面，真空锭虽经剥皮并经局部打磨，但残留的个别未彻底清除微细缺陷在锻造时，容易产生应力集中而出现微小裂纹。

3.2 1J22合金锻坯的表面处理
1J22合金锻造后，锻坯进行修磨时，往往产生锻坯表面发纹或网裂，严重影响后续产品的质量。

产生的原因主要是1J22合金在900～930℃附近发生α?γ相转变，但是在470～640℃区间也会有γ相析出（α′?α′+γ），采用砂轮修磨时往往因为局部过热，锻坯表面局部会出现发蓝现象，这会导致析出γ相，使锻坯的局部内应力增加，塑性降低，产生表面发纹。

锻坯产生发纹的地方，愈是加重修磨，发纹愈是严重。

所以在锻坯表面处理时可以采用轻微的修磨量或者用刨床去皮。

3.3 1J22合金的热加工及淬火工艺
3.3.1 1J22合金的热轧工艺
1J22合金热加工塑性良好，锻坯加热温度为1160～1180℃，保温时间15～20分钟，终轧温度大于850℃。

热轧最终厚度一般控制在2.0～2.3mm左右。

热轧带太厚，影响了热轧带的淬透性，在后续的冷轧过程中容易出现脆断和边裂；如热轧带太薄，又会影响到热轧的厚度精度及板形难以控制，影响到后续的冷轧加工。

3.3.2 1J22合金的淬火工艺
1J22合金在冷加工前必须进行淬火，淬火温度一般控制在880±15℃。

淬火的目的是抑制α相的有序化过程，改善冷轧加工性能。

1J22合金在900～930℃附近发生γ?α相转变，当温度低于730℃时，产生有序化，形成FeCo超结构，无序的α相转变为有序α′相（硬而脆，冷加工性非常差），所以在730℃以下时要求快冷，尽量抑制α相的有序化。

所以工业化生产时，为了提高淬火速度，提高热轧带的淬透性，降低脆性，改善冷加工性能，淬火介质一般采用冰水+NaCl （NaCl改善淬透性）。

但是α相的有序化是非常快的，工业化的淬火冷却速度无法使α相完全无序化。

3.3.3 1J22合金的淬透性检测
1J22合金淬火后必须进行淬透性的检测，一般淬火带弯曲≥90o不断裂，说明淬透性良好，可以进行后续的冷加工。

如果淬火带弯曲90o出现断裂，说明淬透性不好，不能进行冷加工，必须进行二次淬火处理，待弯曲测试合格后方可进行后续的冷加工。

3.4 1J22合金的成品热处理制度
1J22合金组织结构为体心立方晶格的单相固溶体，在900～930℃附近发生γ?α相转变，当温度低于730℃时，产生有序化，形成FeCo超结构，无序的α相转变为有序α′相。

软磁合金一般在露点不低于-40℃的净化氢气中进行热处理。

如要求真空退火时，应在余压不高于0.1Pa的真空中进行。

1J22合金的成品热处理制度见表6。

表6 1J22的热处理制度
备注：根据GB/T 15001-1994
四、 1J22市场行情及成本分析
1J22合金主要以锻件、棒材、热/冷带材、粉末等形式供货，一般不经热处理直接交货。

目前市场上生产1J22合金的厂家较少，市场需求也不是很旺盛，但产品价格较高，棒材价格基本在45～65万元/t左右，0.5mm以下的窄带在90万元/t左右。

从表6中的成本分析可看出，冷轧薄带的利润非常可观能达到60万/t左右。

表6 1J22合金板带生产成本分析
备注：表6中V元素按金属V的价格计算，如采用钒铁合金，成本可以更低。

五、 1J22合金的生产及销售厂家简介
5.1上海康晟特种合金有限公司（有现货坯料）
上海康晟特种合金有限公司位于上海大学国家大学科技园嘉定基地，是由上海市嘉定工业区立项申报审批，并由上海市环境保护局环评审核通过及上海市工商行政管理局颁发唯一具有高温合金、耐蚀合金、精密合金等特种合金的研发、生产执照资质的高新技术型企业。

主要设备有1.5吨气氛保护电渣炉、1.5吨真空感应熔炼炉、H-4540锯床、板带材四辊热轧机组、锻造电液锤、二十辊轧机（窄带）、电渣重熔炉、真空气淬炉、板带材冷轧六辊机组等。

5.2上海惠励特种合金有限公司（有现货坯料）
上海惠励特种合金有限公司坐落于中国工业大都市上海市，成立于2004年，是一家集冶炼、开发、生产高温合金、高镍合金、镍合金、耐蚀合金、因科合金、蒙乃尔合金、精密合金及各种特种合金材料于一体的高新技术生产型企业.公司拥有5吨 10吨 15吨 20吨 35吨真空和非真空感应炼钢炉，电渣炉和锻造。

产品有管材、棒材、板材、丝材、带材、法兰、锻件和管件等。

产品应用于石油化工、航空航天、船舶、能源、军工、电子、环保、机械以及仪器仪表等领域。

5.3丹阳市凯鑫合金材料有限公司（有现货坯料）
丹阳市凯鑫合金材料有限公司是专业生产和销售膨胀合金，纯镍合金、软磁合金、耐蚀合金、高温合金、高电阻电热合金、双金属带材的专业化厂家，其主导产品有：铁镍钴玻封合金4J29、4J44、铁镍玻封合金4J42，4J48，4J50，4J52、铁镍低膨胀合金4J36，4J32，殷钢、瓷封合金4J33、4J34、铁铬玻封合金4J28、Kovar，Invar以及纯镍合金N6、Nickel200，Nickel201，镍铝合金Ni95Al5，软磁合金1J36，1J46，1J50，1J79，1J85、1J22；耐蚀合金monel400/monel K500、Inconel625/601/600/Inconel718/Inconel X750/Incoloy
800/800H/825/901/925/926、NS系列、哈氏合金系列、高温合金GH132、GH169、GH128、GH4145、GH3030、GH3039、GH140、GH3600、GH3625、高电阻电热合金
N40/Cr20Ni35/ Cr20Ni80、双金属带材5J20110/5J11、5J1480/5J18、5J1380、
5J1580/5J16、5J1070/5J23等系列产品。

各系列产品严格按执行标准及用户要求生产，经过严格的检测合格后出厂。

生产设备：真空感应炉、电渣重熔炉、真空热处理炉，拉拔、穿管、磨光、机加工等设备
检测设备：光谱分析仪、超声波探伤仪、金相显微镜、金属拉伸试验机、碳硫分析仪、高温蠕变与持久强度试验机。

5.4江苏阿力斯功能材料有限公司（有现货坯料）
江苏阿力斯功能材料有限公司是以研发、生产、销售为一体的高新技术型企业，综合实力强大，具备得天独厚的地域、资源共享优势。

产品种类有：磁性材料、膨胀合金、耐蚀合金、高温合金、电阻电热合金、、弹性材料、非晶纳米晶材料、钛及钛合金、测温材料、复合材料等精密功能材料。

公司占地30亩，现有员工 200 余人，拥有一批由各类专业技术人才组成的科研队伍和技艺精湛的高素质技术工人，可依据用户需求研制和开发各种新材料。

公司拥有冶炼（真空炉和中频炉）、中轧和精轧、二十辊轧机，拉拔、光亮退火炉、精密纵剪分条设备等一整套先进的生产设备及流程。

整个设备生产体系采取高标准设计，专业化管理。

原材料的选取和配料严格把关，利用先进的检测设备和检测手段、先进生产工艺的制定、过程品质的细节控制到成品出厂前检验，都严格管理精细操作。

产品广泛应用于航天、冶金、机械、电子、化工、能源、汽车等行业。

规格包括板材、带材、丝材（微丝）、冷拔材、管材、棒材、锻件、铸件和按图加工等等。

生产的产品符合国家标准和ROHS标准。

5.5北京钢铁研究总院（有现货坯料）
钢铁研究总院创建于1952年，原为冶金行业最大最权威的综合性研发机构。

1999年转制为中央直属大型科技企业。

2007年初成为中国钢研科技集团公司的全资子公司和核心研发平台。

钢铁研究总院在中国工程院院士干勇为代表的领导团队带领下，秉承原有研发力量，在材料、工艺、测试三大领域不断创新与实践，成为
行业国际一流研发中心。

作为我国冶金新材料的研发基地，钢铁研究总院承担了我国85%以上关键冶金新材料的研制任务，为"两弹一星"、"长征系列运载火箭"和"神舟"飞船等诸多国家重点工程研制生产了大量的关键材料，为我国的国民经济建设和国防建设做出了重大贡献。

近二十年以来，钢铁研究总院所属研究机构及国家级研究中心在材料科学、冶金工艺与工程、分析测试等领域共取得了4000余项科研成果，包括国家级奖励58项、省部级科技进步奖230项、授权专利240项（50%以上为发明专利）。

多年来，承担了50%以上冶金行业发展的关键、共性和重大前沿技术的开发任务。