电磁铁用高饱和磁感应强度低剩磁软磁合金的研究

电磁铁用高饱和磁感应强度低剩磁软磁合金的研究
雷成辉，陈岳，王兵
(北京北冶功能材料有限公司，100192)
摘要：我公司研制的FeCo36Ni22Mo3软磁合金饱和磁感应强度能达到1.65T，剩磁只有0.4T，非常适合于电磁铁的应用。

本文在FeCoNi系的基础上实验得出，随Co含量的增加，合金的饱和磁感应强度提高，剩磁降低；随Ni含量的增加，合金的磁导率提高，并在小磁场下（400A/m下）的磁感应强度提高。

通过对FeCo36Ni22Mo3合金的热处理工艺试验，发现第二阶段冷却速度越大，合金在弱磁下的磁感应强度越大，退火温度1180℃比1100℃更有利于降低矫顽力，提高磁导率，但剩磁也随之提高。

关键词：软磁合金；高饱和磁感应强度；低剩磁；电磁铁；热处理
Research Of Soft Magnetic Alloys With High Saturation Magnetization And Low Remanence For Electromagnet
Lie Cheng-hui Chen Yue wang bing
（Beijing BeiYe Functional Materials Co., Ltd.100192）
Abstract:Our company has produced a soft magnetic alloy,FeCo36Ni22Mo3,with saturation magnetic induction 1.65T,the remanence only 0.4T,very suitable for the appliance in electromagnet.In this paper, on the basis of FeCo36Ni22Mo3, reached by the trial: with the Co content increased, the saturation magnetic strength increased, lower remanence, with Ni content increased, the permeability increased, and the magnetic induction increase in a small magnetic field (400A / m).
In heat treatment process of FeCo36Ni22Mo3 alloy , found that the second phase of the greater cooling rate, the magnetic induction strength increased in weak magnetic field , annealing temperature at 1180℃is more conducive lower coercivity, increase permeability than at 1100℃,but increase remanence as well.
Key words:Soft magnetic alloy, High Saturation Magnetization ,Low remanence , Electromagnet, Heat treatment
1引言
铁、镍、钴是三种主要的铁磁性元素，是构成
磁性材料的基本元素，金属软磁材料就是在此基础上添加别的合金元素组合而成。

目前金属软磁合金种类有很多，按磁性特点可分为：高饱和磁感应强度软磁合金、高磁导率软磁合金、高矩形性软磁合金、低剩磁软磁合金、横导磁软磁合金等[1]。

事实上，软磁合金各项性能是相互联系，相互制约的，没有一种软磁合金同时具有高的各项性能指标，一般根据生产设计需要，选取相应类型的合金。

当软磁材料在磁路中用于信息传递时，一般选取高磁导率软磁合金，比如：高镍坡莫合金１Ｊ８５、１Ｊ７７和超微晶等；用于能量传递时，选具有高磁感应强度的软磁合金，如１Ｊ２２、１Ｊ５０和纯铁等。

在电磁铁设计中，对软磁合金的要求主要是：在一定磁场下具有高的磁感应强度，低的剩磁[2]。

吸力公式：δ
δ∂+∙∙=11
S )5000B (
F 2 公式1 Ｂδ，在气隙中的磁感应强度；Ｓ，阀芯的截面积；а，修正系数，δ，气隙长度[3]。

由此可见，为了减小体积，最直接有效的办法就是提高相应磁场下的Ｂ值。

要提高合金的磁感应强度，首先要保证合金中铁磁性元素Fe 、Ni 、Co 的含量，纯铁的饱和磁感应强度 2.18T ，金属钴的饱和磁感应强度 1.8T ，金属镍的饱和磁感应强度0.6T ，在Fe 和Ni 形成的坡莫合金中，当镍的含量在４８％（w%）时，具有最高的饱和磁感应强度１．６Ｔ，在Fe 和Co 形成合金中，最典型的合金是1J22，具有最高的饱和磁感应强度 2.35T ，这些合金虽然具有高的饱和磁感应强度，但是，相应的剩磁Br 也很高，如：１Ｊ２２的剩磁Ｂｒ在１．６T 左右，１Ｊ５０的剩磁Ｂｒ在１．０T 左右，电工纯铁的剩磁Ｂｒ在１．４５T 左右，电磁铁在释放的时候，需要更大的外力来克服剩磁形成的吸力，所以这些纯粹具有高饱和磁感应强度的软磁合金并不是最好
电磁铁材料，低的剩磁也是一项很重要的指标。

在实际应用中，要获得低剩磁的合金，大多数采用横向磁场热处理，然而，这种热处理的方式在降低剩磁的同时，也使合金的磁导率降低，在相应磁场下的磁感应强度也降低[4]
，因此，这种方法有利有弊。

在工作中发现FeCoNi 类合金既具有高的磁感应强度，同时具有低的剩磁Br ，本文将对该类合金进行研究。

2试验方法
我们选用了一炉FeCo36Ni22Mo3软磁合金，北冶功能材料公司的牌号为S1J23A 进行试验，主要化学成分如表1。

表1 S1J23A 主要化学成分
Tabel 1 The main chemical components of S1J23A
在该合金基础上进行成分设计，调整Ni 和Co 的含量，设计了9炉化学成分，成分设计采用正交
设计表L9 [5]
，具体如下表2。

表2 Ni 、Co 含量设计表
Tabel 2 The design tables of Nickel ， cobalt content
用10Kg 真空炉进行冶炼，钢锭扒皮后加热锻造成Ф45圆棒，机加工成Ф32/40×4mm 环状磁性样，在真空环境下进行热处理，热处理工艺为：随炉升温到1180℃保温5小时，然后以100℃/h 的冷速冷却到700℃，推炉快冷，到200℃以下出炉，真空度
为<10-2Pa，用冲击法进行直流磁性能测试，比较不同合金元素对性能的影响。

为了比较元素Ni和Co对性能影响程度大小，引入极差R：R=Max{k1,k2,k3}-Min{k1,k2,k3}，
k1,K2,K3分别表示同一个因素下，每个水平的平均值，R表示极差[6]。

3试验结果与讨论
3.1 化学成分对性能的影响
在ＦｅＮｉＣｏ合金系列中，Ｆｅ为余量，通过调整Ｎｉ和Ｃｏ的含量，来提高磁感应强度或磁导率，一般情况下，磁导率越高，材料越容易被磁化，相应的在小磁场下的磁感应强度较高，下面比较不同元素对合金的饱和磁感应强度、剩磁、弱磁场下磁感应强度和最大磁导率影响情况。

图１镍、钴含量对饱和磁感应强度的影响
Fig 1 The effects of Nickel，cobalt content on the saturation magnetic induction
图２镍、钴含量对合金剩磁的影响
Fig 2 The effects of Nickel, cobalt content on the remanence
图３镍、钴含量对最大磁导率的影响
Fig 3 The effects of Nickel，cobalt content on the largest permeability
图4镍、钴含量对矫顽力的影响
Fig 4 The effects of Nickel，cobalt content on coercivity
从图1、图2、图3、图4中可以看出，随Ｎｉ含量的增加，合金的饱和磁感应强度和剩磁增加，当Ni 含量超过32%以后，饱和磁感应强度开始下降，但合金的磁导率随Ni 含量的增加而增加，相应的，弱磁场下的磁感应强度B 80也随之增加；当Ｃｏ含量增加时，合金的饱和磁感应强度提高，合金的剩磁不断降低。

极差分析：
表3 极差分析表
Co Ni ，
Co27>Co25>Co29，Ni34>Ni32>Ni30 H C (A/m)：R Ni >R Co,
Ni34>Ni32>Ni30，Co27>Co29>Co25, Bs 100：R Ni >R Co ，
Ni32>Ni30>Ni34，Co27>Co29>Co25 Br 100：R Co >R Ni ，
Co29>Co27>Co25，
Ni34>Ni30>Ni32
从显著性比较可以看出：Ｎｉ、Ｃｏ含量的变化对各个性能参数影响大小及影响趋势，从最大磁导率和剩磁来看，Co 元素对性能的影响明显大于Ni 元素对性能的影响，
从这些变化规律来看，我们要想提高饱和磁感应强度、降低剩磁，最重要的是提高Ｃｏ的含量，控制一定的Ｎｉ含量；要提高磁导率和弱磁场下的磁感应强度，应该提高Ｎｉ的含量到一定水平。

3.2 热处理工艺对性能的影响
图5 热处理工艺参数对B 80的影响
Fig 5 The effects of heat treatment process parameters on B 80
图5中能够明显地看出，退火温度的提高，弱磁场下的磁感应强度B 80大大的提高，1180℃下的B 80为0.83T ，而1100℃的B 80为0.72T ，保温时间越长，对B 80越有利，保温10小时明显优于5小时，对B
80影响最大还是冷却速度，在700℃后，推炉快冷优于炉冷。

图6 热处理工艺参数对B s 的影响
Fig 6
The effects of heat treatment process parameters on B s
在图6中，可以看出饱和磁感应强度B 8000的值基本稳定在1.67—1.69T 的范围内，因此，退火工艺对合金的饱和磁感应强度的影响很小。

图7 热处理工艺参数对剩磁的影响
Fig 7 The effects of heat treatment process parameters on remanence 在图7中，可以看出对剩磁影响最大的因素是冷却速度，当冷却速度越快时，保温时间越长，剩磁越大，退火温度对剩磁的影响相对较小。

结合图5，要同时提高B 80和降低剩磁，只有通过提高退火
温度，因为退火温度对剩磁的影响很小，而调整冷却速度和保温时间对提高弱磁场下的磁感应强度B80和降低剩磁Br是相互矛盾的，当我们要提高弱磁场下的磁感应强度B80时，可以采取延长保温时间，提高冷却速度，当要求降低剩磁Br时，则要缩短保温时间，放慢冷却速度，因此在实际应用时，应该根据设计对性能的需要来调整相应的工艺参数。

图8热处理工艺参数对矫顽力的影响
Fig 8 The effects of heat treatment process parameters on coercivity 在图8中可以看出，三个热处理参数对矫顽力的影响程度差不多，矫顽力Hc水平都在20—25A/m 的范围内，提高退火温度、延长保温时间和提高冷却速度对降低矫顽力都是有利的。

4结论
FeNiCo类软磁合金具有高的饱和磁感应强度，在不进行磁场处理的情况下Bs可以达到1.65T，剩磁Br低至0.4T；
在FeNiCo类软磁合金中，提高Ni的含量，可以使合金的磁导率和弱磁场下磁感应强度提高，提高Co的含量可以提高饱和磁感应强度和降低剩磁；
在FeNiCo类软磁合金热处理过程中，提高退火温度、延长保温时间和提高冷却速度，均能提高弱磁场下磁感应强度B80，降低矫顽力Hc，提高剩磁Br，对饱和磁感应强度B s的影响不大。

参考文献[1].孙玉魁金属软磁材料及其应用冶金工业出版社1986.8
[2].张莹电磁铁用软磁合金系列的研究上海钢研2002年第4期
[3].杨祚新电磁铁应用设计计算方法机床电器1996年第1期
[4].孔向阳Fe-Ni-Co系高饱和磁感应强度及低剩磁软磁合金的研究功能材料2000，31（5）[5].高允彦正交及回归试验设计方法冶金工业出版社1988.5
[6].李云雁试验设计与数据处理化学工业出版社2008.7。