电磁铁用高饱和磁感应强度低剩磁软磁合金的研究样本

电磁铁用高饱和磁感应强度低剩磁软磁合金研究雷成辉，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，非常适合于电磁铁应用。本文在FeCoNi系基本上实验得出，随Co含量增长，合金饱和磁感应强度提高，剩磁减少；随Ni含量增长，合金磁导率提高，并在小磁场下（400A/m下）磁感应强度提高。通过对FeCo36Ni22Mo3合金热解决工艺实验，发现第二阶段冷却速度越大，合金在弱磁下磁感应强度越大，退火温度1180℃比1100℃更有助于减少矫顽力，提高磁导率核心词：软磁合金；高饱和磁感应强度；低剩磁；电磁铁；热解决ResearchOfSoftMagneticAlloysWithHighSaturationMagnetizationAndLowRemanenceForElectromagnetLieCheng-huiChenYuewangbing（BeijingBeiYeFunctionalMaterialsCo.，Ltd.100192）Abstract：Ourcompanyhasproducedasoftmagneticalloy,FeCo36Ni22Mo3,withsaturationmagneticinduction1.65T,theremanenceonly0.4T,verysuitablefortheapplianceinelectromagnet.Inthispaper，onthebasisofFeCo36Ni22Mo3，reachedbythetrial：withtheCocontentincreased，thesaturationmagneticstrengthincreased，lowerremanence，withNicontentincreased，thepermeabilityincreased，andthemagneticinductionincreaseinasmallmagneticfield(400A/m).InheattreatmentprocessofFeCo36Ni22Mo3alloy，foundthatthesecondphaseofthegreatercoolingrate，themagneticinductionstrengthincreasedinweakmagneticfield，annealingtemperatureat1180℃ismoreconducivelowercoercivity，increasepermeabilitythanat1100℃Keywords：Softmagneticalloy，HighSaturationMagnetization,Lowremanence，Electromagnet，Heattreatment1引言铁、镍、钴是三种重要铁磁性元素，是构成磁性材料基本元素，金属软磁材料就是在此基本上添加别合金元素组合而成。当前金属软磁合金种类有诸多，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互相联系，互相制约，没有一种软磁合金同步具备高各项性能指标，普通依照生产设计需要，选用相应类型合金。当软磁材料在磁路中用于信息传递时，普通选用高磁导率软磁合金，例如：高镍坡莫合金１Ｊ８５、１Ｊ７７和超微晶等；用于能量传递时，选具备高磁感应强度软磁合金，如１Ｊ２２、１Ｊ５０和纯铁等。在电磁铁设计中，对软磁合金规定重要是：在一定磁场下具备高磁感应强度，低剩磁[2]。吸力公式：公式1Ｂδ，在气隙中磁感应强度；Ｓ，阀芯截面积；а，修正系数，δ，气隙长度[3]。由此可见，为了减小体积，最直接有效办法就是提高相应磁场下Ｂ值。要提高合金磁感应强度，一方面要保证合金中铁磁性元素Fe、Ni、Co含量，纯铁饱和磁感应强度2.18T，金属钴饱和磁感应强度1.8T，金属镍饱和磁感应强度0.6T，在Fe和Ni形成坡莫合金中，当镍含量在４８％（w%）时，具备最高饱和磁感应强度１．６Ｔ，在Fe和Co形成合金中，最典型合金是1J22，具备最高饱和磁感应强度2.35T，这些合金虽然具备高饱和磁感应强度，但是，相应剩磁Br也很高，如：１Ｊ２２剩磁Ｂｒ在１．６T左右，１Ｊ５０剩磁Ｂｒ在１．０T左右，电工纯铁剩磁Ｂｒ在１．４５T左右，电磁铁在释放时候，需要更大外力来克服剩磁形成吸力，因此这些纯粹具备高饱和磁感应强度软磁合金并不是最佳电磁铁材料，低剩磁也是一项很重要指标。在实际应用中，要获得低剩磁合金，大多数采用横向磁场热解决，然而，这种热解决方式在减少剩磁同步，也使合金磁导率减少，在相应磁场下磁感应强度也减少[4]，因而，这种办法有利有弊。在工作中发现FeCoNi类合金既具备高磁感应强度，同步具备低剩磁Br，本文将对该类合金进行研究。2实验办法咱们选用了一炉FeCo36Ni22Mo3软磁合金，北冶功能材料公司牌号为S1J23A进行实验，重要化学成分如表1。表1S1J23A重要化学成分牌号NiCoMoFeS1J23A22.0635.872.85余在该合金基本上进行成分设计，调节Ni和Co含量，设计了9炉化学成分，成分设计采用正交设计表L9[5]，详细如下表2。表2Ni、Co含量设计表Tabel2Thedesigntablesof，content因素NiCoFe水平13025余23227余33429余用10Kg真空炉进行冶炼，钢锭扒皮后加热锻导致Ф45圆棒，机加工成Ф32/40×4mm环状磁性样，在真空环境下进行热解决，热解决工艺为：随炉升温到1180℃保温5小时，然后以100℃/h冷速冷却到700℃，推炉快冷，到200℃如下出炉，真空度为<10-2Pa，用冲击法进行直流磁性能为了比较元素Ni和Co对性能影响限度大小，引入极差R：R=Max{k1,k2,k3}-Min{k1,k2,k3}，k1,K2,K3分别表达同一种因素下，每个水平平均值，R表达极差[6]。3实验成果与讨论3.1化学成分对性能影响在ＦｅＮｉＣｏ合金系列中，Ｆｅ为余量，通过调节Ｎｉ和Ｃｏ含量，来提高磁感应强度或磁导率，普通状况下，磁导率越高，材料越容易被磁化，相应在小磁场下磁感应强度较高，下面比较不同元素对合金饱和磁感应强度、剩磁、弱磁场下磁感应强度和最大磁导率影响状况。成分对Bs影响成分对Bs影响1.541.551.561.571.581.591.601.611.621.631.64303234252729Bs(T)Ni(w%)Co(w%)图１镍、钴含量对饱和磁感应强度影响Fig1成分对Br影响成分对Br影响0.350.400.450.500.55303234252729Ni(w%)Co(w%)Br8000(T)图２镍、钴含量对合金剩磁影响Fig2TheeffectsofNickel，cobaltcontentontheremanence成分对成分对μm影响15.016.017.018.019.020.021.022.0303234252729最大磁导率μm（mH/m)Ni(w%)Co(w%)图３镍、钴含量对最大磁导率影响Fig3成分对Hc影响成分对Hc影响10.0011.0012.0013.0014.0015.0016.0017.00303234252729Hc(A/m)Ni(w%)Co(w%)图4镍、钴含量对矫顽力影响Fig4从图1、图2、图3、图4中可以看出，随Ｎｉ含量增长，合金饱和磁感应强度和剩磁增长，当Ni含量超过32%后来，饱和磁感应强度开始下降，但合金磁导率随Ni含量增长而增长，相应，弱磁场下磁感应强度B80也随之增长；当Ｃｏ含量增长时，合金饱和磁感应强度提高，合金剩磁不断减少。极差分析：表3极差分析表Fig4μmHCBs8000Br8000Ni(W%)3.272.570.060.06Co(w%)4.842.460.030.09μm：RCo>RNi，Co27>Co25>Co29，Ni34>Ni32>Ni30HC(A/m)：RNi>RCo,Ni34>Ni32>Ni30，Co27>Co29>Co25,Bs100：RNi>RCo，Ni32>Ni30>Ni34，Co27>Co29>Co25Br100：RCo>RNi，Co29>Co27>Co25，Ni34>Ni30>Ni32从明显性比较可以看出：Ｎｉ、Ｃｏ含量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元素对性能影响明显不不大于Ni元素对性能影响，从这些变化规律来看，咱们要想提高饱和磁感应强度、减少剩磁，最重要是提高Ｃｏ含量，控制一定Ｎｉ含量；要提高磁导率和弱磁场下磁感应强度，应当提高Ｎｉ含量到一定水平。3.2热解决工艺对性能影响图5热解决工艺参数对B80影响Fig5heattreatmentprocessparametersonB80图5中可以明显地看出，退火温度提高，弱磁场下磁感应强度B80大大提高，1180℃下B80为0.83T，而1100℃B80为0.72T，保温时间越长，对B80越有利，保温10小时明显优于5小时，对B80影响最大还是冷却速度，在700℃图6热解决工艺参数对Bs影响Fig6TheeffectsofheattreatmentprocessparametersonBs在图6中，可以看出饱和磁感应强度B8000值基本稳定在1.67—1.69T范畴内，因而，退火工艺对合金饱和磁感应强度影响很小。图7热解决工艺参数对剩磁影响Fig7Theeffectsofheattreatmentprocessparametersonremanence在图7中，可以看出对剩磁影响最大因素是冷却速度，当冷却速度越快时，保温时间越长，剩磁越大，退火温度对剩磁影响相对较小。结合图5，要同步提高B80和减少剩磁，只有通过提高退火温度，由于退火温度对剩磁影响很小，而调节冷却速度和保温时间对提高弱磁场下磁感应强度B80和减少剩磁Br是互相矛盾，当咱们要提高弱磁场下磁感应强度B80时，可以采用延长保温时间，提高冷却速度，当规定减少剩磁Br时，则要缩短保温时间，放慢冷却速度，因而在实际应用时，应当依照设计对性能需要来调节相应工艺参数。图8热解决工艺参数对矫顽力影响Fig8Theeffectsofheattreatmentprocessparametersoncoercivity在图8中可以看出，三个热解决参数对矫顽力影响限度差不多，矫顽力Hc水平都在20—25A/m范畴内，提高退火温度、延长保温时间和提高冷却速度对减少矫顽力都是有利。4结论FeNiCo类软磁合金具备高饱和磁感应强度，在不进行磁场解决状况下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含量，可以使合金磁导率和弱磁场下磁感应强度提高，提高Co含量可以提高饱和磁感应强度和减少剩磁；在FeNiCo类软磁合金热解决过程中，提高退火温度、延长保温时间