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： 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退火温度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
牌号 | Ni | Co | Mo | Fe |
S1J23A | 22.06 | 35.87 | 2.85 | 余 |
| | | | |
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
因素 | | Ni | Co | Fe |
水平 | 1 | 30 | 25 | 余 |
2 | 32 | 27 | 余 |
3 | 34 | 29 | 余 |
| | | | |
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B80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
Fig 4 Range analysis table
| μm | HC | Bs8000 | Br8000 |
Ni(W%) | 3.27 | 2.57 | 0.06 | 0.06 |
Co(w%) | 4.84 | 2.46 | 0.03 | 0.09 |
| | | | |
μm：RCo>RNi，
Co27>Co25>Co29，Ni34>Ni32>Ni30
HC(A/m)：RNi>RCo,
Ni34>Ni32>Ni30，Co27>Co29>Co25,
Bs100：RNi>RCo，
Ni32>Ni30>Ni34，Co27>Co29>Co25
Br100：RCo>RNi，
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B80的影响
Fig 5 The effects of heat treatment process parameters on B80
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B80大大的提高，1180℃下的B80为0.83T，而1100℃的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℃后，推炉快冷优于炉冷。
图6 热处理工艺参数对Bs的影响
Fig 6 The effects of heat treatment process parameters on Bs
在图6中，可以看出饱和磁感应强度B8000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。
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