電磁鐵用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低剩磁軟磁合金的研究樣本

電磁鐵用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低剩磁軟磁合金研究雷成輝，陳岳，王兵(北京北冶功能材料有限公司，100192)摘要：我公司研制FeCo36Ni22Mo3軟磁合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度能達(dá)到1.65T，剩磁只有0.4T，非常適合于電磁鐵應(yīng)用。本文在FeCoNi系基本上實(shí)驗(yàn)得出，隨Co含量增長，合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度提高，剩磁減少；隨Ni含量增長，合金磁導(dǎo)率提高，并在小磁場下（400A/m下）磁感應(yīng)強(qiáng)度提高。通過對FeCo36Ni22Mo3合金熱解決工藝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第二階段冷卻速度越大，合金在弱磁下磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，退火溫度1180℃比1100℃更有助于減少矯頑力，提高磁導(dǎo)率核心詞：軟磁合金；高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；低剩磁；電磁鐵；熱解決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引言鐵、鎳、鈷是三種重要鐵磁性元素，是構(gòu)成磁性材料基本元素，金屬軟磁材料就是在此基本上添加別合金元素組合而成。當(dāng)前金屬軟磁合金種類有諸多，按磁性特點(diǎn)可分為：高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金、高磁導(dǎo)率軟磁合金、高矩形性軟磁合金、低剩磁軟磁合金、橫導(dǎo)磁軟磁合金等[1]。事實(shí)上，軟磁合金各項(xiàng)性能是互相聯(lián)系，互相制約，沒有一種軟磁合金同步具備高各項(xiàng)性能指標(biāo)，普通依照生產(chǎn)設(shè)計需要，選用相應(yīng)類型合金。當(dāng)軟磁材料在磁路中用于信息傳遞時，普通選用高磁導(dǎo)率軟磁合金，例如：高鎳坡莫合金１Ｊ８５、１Ｊ７７和超微晶等；用于能量傳遞時，選具備高磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金，如１Ｊ２２、１Ｊ５０和純鐵等。在電磁鐵設(shè)計中，對軟磁合金規(guī)定重要是：在一定磁場下具備高磁感應(yīng)強(qiáng)度，低剩磁[2]。吸力公式：公式1Ｂδ，在氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ｓ，閥芯截面積；а，修正系數(shù)，δ，氣隙長度[3]。由此可見，為了減小體積，最直接有效辦法就是提高相應(yīng)磁場下Ｂ值。要提高合金磁感應(yīng)強(qiáng)度，一方面要保證合金中鐵磁性元素Fe、Ni、Co含量，純鐵飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度2.18T，金屬鈷飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度1.8T，金屬鎳飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度0.6T，在Fe和Ni形成坡莫合金中，當(dāng)鎳含量在４８％（w%）時，具備最高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度１．６Ｔ，在Fe和Co形成合金中，最典型合金是1J22，具備最高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度2.35T，這些合金雖然具備高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是，相應(yīng)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，電工純鐵剩磁Ｂｒ在１．４５T左右，電磁鐵在釋放時候，需要更大外力來克服剩磁形成吸力，因此這些純粹具備高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金并不是最佳電磁鐵材料，低剩磁也是一項(xiàng)很重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，要獲得低剩磁合金，大多數(shù)采用橫向磁場熱解決，然而，這種熱解決方式在減少剩磁同步，也使合金磁導(dǎo)率減少，在相應(yīng)磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度也減少[4]，因而，這種辦法有利有弊。在工作中發(fā)現(xiàn)FeCoNi類合金既具備高磁感應(yīng)強(qiáng)度，同步具備低剩磁Br，本文將對該類合金進(jìn)行研究。2實(shí)驗(yàn)辦法咱們選用了一爐FeCo36Ni22Mo3軟磁合金，北冶功能材料公司牌號為S1J23A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重要化學(xué)成分如表1。表1S1J23A重要化學(xué)成分牌號NiCoMoFeS1J23A22.0635.872.85余在該合金基本上進(jìn)行成分設(shè)計，調(diào)節(jié)Ni和Co含量，設(shè)計了9爐化學(xué)成分，成分設(shè)計采用正交設(shè)計表L9[5]，詳細(xì)如下表2。表2Ni、Co含量設(shè)計表Tabel2Thedesigntablesof，content因素NiCoFe水平13025余23227余33429余用10Kg真空爐進(jìn)行冶煉，鋼錠扒皮后加熱鍛導(dǎo)致Ф45圓棒，機(jī)加工成Ф32/40×4mm環(huán)狀磁性樣，在真空環(huán)境下進(jìn)行熱解決，熱解決工藝為：隨爐升溫到1180℃保溫5小時，然后以100℃/h冷速冷卻到700℃，推爐快冷，到200℃如下出爐，真空度為<10-2Pa，用沖擊法進(jìn)行直流磁性能為了比較元素Ni和Co對性能影響限度大小，引入極差R：R=Max{k1,k2,k3}-Min{k1,k2,k3}，k1,K2,K3分別表達(dá)同一種因素下，每個水平平均值，R表達(dá)極差[6]。3實(shí)驗(yàn)成果與討論3.1化學(xué)成分對性能影響在ＦｅＮｉＣｏ合金系列中，Ｆｅ為余量，通過調(diào)節(jié)Ｎｉ和Ｃｏ含量，來提高磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁導(dǎo)率，普通狀況下，磁導(dǎo)率越高，材料越容易被磁化，相應(yīng)在小磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，下面比較不同元素對合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁、弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁導(dǎo)率影響狀況。成分對Bs影響成分對Bs影響1.541.551.561.571.581.591.601.611.621.631.64303234252729Bs(T)Ni(w%)Co(w%)圖１鎳、鈷含量對飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度影響Fig1成分對Br影響成分對Br影響0.350.400.450.500.55303234252729Ni(w%)Co(w%)Br8000(T)圖２鎳、鈷含量對合金剩磁影響Fig2TheeffectsofNickel，cobaltcontentontheremanence成分對成分對μm影響15.016.017.018.019.020.021.022.0303234252729最大磁導(dǎo)率μm（mH/m)Ni(w%)Co(w%)圖３鎳、鈷含量對最大磁導(dǎo)率影響Fig3成分對Hc影響成分對Hc影響10.0011.0012.0013.0014.0015.0016.0017.00303234252729Hc(A/m)Ni(w%)Co(w%)圖4鎳、鈷含量對矯頑力影響Fig4從圖1、圖2、圖3、圖4中可以看出，隨Ｎｉ含量增長，合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和剩磁增長，當(dāng)Ni含量超過32%后來，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度開始下降，但合金磁導(dǎo)率隨Ni含量增長而增長，相應(yīng)，弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度B80也隨之增長；當(dāng)Ｃｏ含量增長時，合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度提高，合金剩磁不斷減少。極差分析：表3極差分析表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從明顯性比較可以看出：Ｎｉ、Ｃｏ含量變化對各個性能參數(shù)影響大小及影響趨勢，從最大磁導(dǎo)率和剩磁來看，Co元素對性能影響明顯不不大于Ni元素對性能影響，從這些變化規(guī)律來看，咱們要想提高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、減少剩磁，最重要是提高Ｃｏ含量，控制一定Ｎｉ含量；要提高磁導(dǎo)率和弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)提高Ｎｉ含量到一定水平。3.2熱解決工藝對性能影響圖5熱解決工藝參數(shù)對B80影響Fig5heattreatmentprocessparametersonB80圖5中可以明顯地看出，退火溫度提高，弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度B80大大提高，1180℃下B80為0.83T，而1100℃B80為0.72T，保溫時間越長，對B80越有利，保溫10小時明顯優(yōu)于5小時，對B80影響最大還是冷卻速度，在700℃圖6熱解決工藝參數(shù)對Bs影響Fig6TheeffectsofheattreatmentprocessparametersonBs在圖6中，可以看出飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B8000值基本穩(wěn)定在1.67—1.69T范疇內(nèi)，因而，退火工藝對合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度影響很小。圖7熱解決工藝參數(shù)對剩磁影響Fig7Theeffectsofheattreatmentprocessparametersonremanence在圖7中，可以看出對剩磁影響最大因素是冷卻速度，當(dāng)冷卻速度越快時，保溫時間越長，剩磁越大，退火溫度對剩磁影響相對較小。結(jié)合圖5，要同步提高B80和減少剩磁，只有通過提高退火溫度，由于退火溫度對剩磁影響很小，而調(diào)節(jié)冷卻速度和保溫時間對提高弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度B80和減少剩磁Br是互相矛盾，當(dāng)咱們要提高弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度B80時，可以采用延長保溫時間，提高冷卻速度，當(dāng)規(guī)定減少剩磁Br時，則要縮短保溫時間，放慢冷卻速度，因而在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)依照設(shè)計對性能需要來調(diào)節(jié)相應(yīng)工藝參數(shù)。圖8熱解決工藝參數(shù)對矯頑力影響Fig8Theeffectsofheattreatmentprocessparametersoncoercivity在圖8中可以看出，三個熱解決參數(shù)對矯頑力影響限度差不多，矯頑力Hc水平都在20—25A/m范疇內(nèi)，提高退火溫度、延長保溫時間和提高冷卻速度對減少矯頑力都是有利。4結(jié)論FeNiCo類軟磁合金具備高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，在不進(jìn)行磁場解決狀況下Bs可以達(dá)到1.65T，剩磁Br低至0.4T；在FeNiCo類軟磁合金中，提高Ni含量，可以使合金磁導(dǎo)率和弱磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度提高，提高Co含量可以提高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和減少剩磁；在FeNiCo類軟磁合金熱解決過程中，提高退火溫度、延長保溫時間