目前，對電磁控制元件的特性要求越來越高，除了要求提高磁性材料的功能，還要求進(jìn)一步優(yōu)化磁回路整體設(shè)計和制造工藝。本文對純鐵系軟磁材料主要特性的影響因素和用電磁解析方法驗(yàn)證提高電磁控制元件特性的實(shí)例進(jìn)行簡要介紹。

電子控制元件是汽車等領(lǐng)域提高燃料效率和安全性核心技術(shù)中不可或缺的元件，其需求量不斷增加。這些電子控制元件多數(shù)用作電磁控制元件。近年來以混合動力車和電動汽車為代表的汽車電動化發(fā)展迅速。電磁控制元件的精確控制和省電化是應(yīng)對電動汽車發(fā)展趨勢需要解決的重要課題。

1軟磁材料主要特性的影響因素

軟磁材料的磁學(xué)特性在很大程度上依存于材料的磁矩大小和磁化過程中疇壁移動阻力。磁矩大小和疇壁移動阻力與材料的化學(xué)成分和微觀組織有復(fù)合的相關(guān)關(guān)系。

1.1化學(xué)成分的影響

具有強(qiáng)磁性磁矩的主要組織是體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體相。雖然斜方晶系結(jié)構(gòu)的滲碳體也是強(qiáng)磁體，但其磁矩遠(yuǎn)小于鐵素體，并且對磁性還有不利影響。所以材料的C含量對軟磁材料的磁學(xué)特性有顯著影響。

從圖1可以看出，隨著C含量的減少、鐵素體相的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度升高、矯頑力下降，材料的磁學(xué)特性得到改善。值得注意的是，當(dāng)C含量超過0.02%時，材料的磁學(xué)特性急劇下降，說明在使用一般材料（S10C、SUM系易切削鋼）做鐵芯時，即使材料的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化，材料的磁學(xué)特性也會有很大不同，導(dǎo)致電磁元件特性發(fā)生很大波動。

JIS SUY（C2504）將鐵素體最大C固溶量（7230、0.03%）作為C含量的上限值。但在室溫下鐵素體最大C固溶量下降，因此C含量減少為0.01%為好。神戶制鋼開發(fā)的ELCH₂系列軟磁材料為了提高材料的磁學(xué)特性，將材料的C含量規(guī)定為小于0.01%。并且為提高部件加工性，在對磁性沒有影響的范圍內(nèi)添加適量的Mn、Si（如表1），形成了強(qiáng)調(diào)磁特性的基本鋼ELCH₂和改善切削性鋼HLCH₂S兩種軟磁材料。

1.2 微觀組織的影響

影響軟磁材料特性的另一個重要因素是疇壁移動阻力。當(dāng)外部磁場發(fā)生變化時，疇壁在材料中移動。磁能低的晶界和析出物是阻礙疇壁移動的障礙物，因此晶粒粗大化，減少晶界是提高磁學(xué)特性的有效方法。所以鍛造用軟磁材料在鍛造后，一般要經(jīng)磁場退火使晶粒粗化。各種材料的磁學(xué)特性如表2所示。純鐵系磁性材料由于徹底去除了磁性不純物，具有高導(dǎo)磁率、高磁感應(yīng)強(qiáng)度和低矯頑力。因此，純鐵系磁性材料用于電磁控制部件可實(shí)現(xiàn)部件小型化和省電化。但是材料高純度化會導(dǎo)致電阻率下降，所以，純鐵系磁性材料在用于高勵磁頻率時，應(yīng)考慮趨膚效應(yīng)和渦流損耗等問題。

1.3應(yīng)變的影響

對磁性材料進(jìn)行拔絲或鍛造時，會將位錯導(dǎo)入材料中，在位錯周圍應(yīng)變場的作用下，材料的磁矩發(fā)生混亂，引起材料磁學(xué)特性下降。此外，位錯起著疇壁障礙物的作用，也導(dǎo)致材料磁學(xué)特性的下降。

圖2是拔絲應(yīng)變與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。隨著應(yīng)變量的增加，各鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度都下降，但開發(fā)鋼ELCH₂S在應(yīng)變ε=0.43的情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍高于未加工的S10C。在未磁場退火的鍛造狀態(tài)下使用本開發(fā)鋼，可以提高電磁控制元件的功能。

磁場退火材料在退火再結(jié)晶過程中消除了加工應(yīng)變對磁性的不利影響，并且由于晶粒長大，減少了晶界面積，降低了疇壁移動阻力，所以磁學(xué)特性明顯改善。對于單相鐵素體純鐵系磁性材料，這種磁場退火效果十分顯著。

與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化一樣，隨著應(yīng)變量的增加，矯頑力升高，軟磁材料磁性變差。但磁場退火可大幅度降低矯頑力，顯著改善軟磁材料的磁性。

2加工條件最佳化

2.1冷鍛性

由于考慮到冷鍛發(fā)熱，在室溫至300℃范圍內(nèi)，對變形抗力進(jìn)行測定。在室溫至200℃范圍內(nèi)，開發(fā)鋼ELCH₂的變形抗力小于S10C球化退火鋼，這對于提高模具壽命是有利的。S10C球化退火鋼的變形抗力隨變形溫度升高而下降，但開發(fā)鋼在預(yù)計的冷鍛發(fā)熱溫度200℃以上時，變形抗力有一定升高。這是鋼中少量殘余固溶C、固溶N引起的動態(tài)應(yīng)變時效作用的結(jié)果。因此對于冷鍛發(fā)熱溫度升高較大的大型部件和高變形率冷鍛部件，應(yīng)考慮時效的影響。

在冷鍛工藝設(shè)計時應(yīng)考慮鍛造工藝對磁學(xué)特性的影響。因此在設(shè)計冷鍛工藝時，應(yīng)使磁力線集中的磁回路處等重要磁特性部位的晶粒最大化，并減小晶粒大小的波動。

2.2 熱處理?xiàng)l件

退火時的晶粒長大與退火溫度和退火時間有關(guān)，但退火溫度的影響更大一些。在退火時間相同的情況下，退火溫度越高，晶粒越大，越可以獲得磁性優(yōu)良的組織。但應(yīng)注意的是，開發(fā)鋼的Ac3點(diǎn)約為910℃，所以要防止過加熱。當(dāng)退火溫度超過910℃時，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在隨后的冷卻過程中生成鐵素體相，會發(fā)生組織微細(xì)化。所以磁場退火應(yīng)在單相鐵素體溫度范圍內(nèi)進(jìn)行?？紤]到加熱爐的溫度波動，工業(yè)生產(chǎn)上采用的ELCH₂退火溫度一般是850℃左右。

磁場退火的冷卻條件對磁學(xué)特性也有影響。當(dāng)試樣緩冷到大于600℃后急冷時的矯頑力比緩冷到室溫后急冷時的矯頑力大5%。原因是急冷開始溫度較低時，熱應(yīng)變的影響較小。此外，緩冷到600℃左右時，對磁性有害的固溶C、N析出為釘扎疇壁力小的粗大碳氮化物，減輕了C、N的不利影響。因此，從部件批量生產(chǎn)和降低制造成本的角度來看，應(yīng)該是加熱保溫后迅速出爐快冷。但對要求高磁性的材料進(jìn)行磁場退火時，加熱保溫后緩冷到400℃左右為好。

2.3 切削加工性

純鐵系材料延性好冷鍛性優(yōu)良，但切削加工性差。神戶制鋼對影響純鐵系材料切削加工性的因素進(jìn)行了研究，開發(fā)出改善切削性的純鐵系軟磁材料ELCH₂S。ELCH₂S鋼中彌散析出的MnS可顯著改善切屑性能。

3純鐵系軟磁材料ELCH₂系列產(chǎn)品的應(yīng)用

神戶制鋼開發(fā)的純鐵系軟磁材料ELCH₂系列產(chǎn)品具有磁感應(yīng)強(qiáng)度高、磁滯小的特點(diǎn)，使電磁元件實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁力和高精度動作。汽車自動變速油壓控制用直螺線管（比例電磁閥）等元件要求小型化和高精度控制功能。目前，ELCH₂系列產(chǎn)品已經(jīng)大量用于比例電磁閥等控制元件。用電磁場解析方法對ELCH₂應(yīng)用效果進(jìn)行定量解析結(jié)論如下。

3.1電磁元件的特性解析

對電磁元件進(jìn)行特性解析使用的解析對象是直螺線管。本解析的條件是，直螺線管尺寸：Φ34mm×57mm、線圈匝數(shù)：600、勵磁電流：0～2A、滑閥行程：1.5mm。對使用ELCH₂和S10C兩種磁性材料的直螺線管進(jìn)行解析。

3.2電磁力增大（部件小型輕量化）

電磁力隨勵磁電流的增加而緩慢增大，從勵磁電流0.5A開始，電磁力與勵磁電流成正比例關(guān)系。勵磁電流大于0.5A以后，不同鋼種的電磁力大小不同，ELCH₂的電磁力大于S10C。勵磁電流為1A時，電磁力增大10%、勵磁電流為2A時，電磁力增大14%。

從直螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的解析分析表明，在保持電磁力不變的情況下，直螺線管的徑向尺度縮小5%，鐵芯材料用量減少10%，使部件小型輕量化。

3.3 提高部件動作精度

對直螺線管等電磁元件的要求，除了大電磁力，還有動作精度高和控制性良好。油壓裝置的油壓和油量是通過電磁閥幾十個微米的位置變化來控制的。因此要求能夠?qū)χ甭菥€管可動鐵心進(jìn)行精確控制。

直螺線管可動鐵心動作精度不良的原因是磁性材料的磁滯現(xiàn)象。使用磁滯大的材料時，即使勵磁電流是同一個值，電磁力大小也會產(chǎn)生差異，導(dǎo)致可動鐵芯動作精度下降。如前所述，ELCH₂是矯頑力小、磁滯小的磁性材料，可以提高直螺線管的動作精度。

3.4 ELCH₂在各種電磁元件的應(yīng)用

ELCH₂除了用于直螺線管，還可用于電磁制動器、電磁離合器、繼電器、交流發(fā)電機(jī)中的純鐵系軟磁材料，其解析方法得到的預(yù)期效果列于表3。