目前，對(duì)電磁控制元件的特性要求越來(lái)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(jì)和制造工藝。本文對(duì)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(jiǎn)要介紹。
電子控制元件是汽車(chē)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(lái)以混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)為代表的汽車(chē)電動(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)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(guò)程中疇壁移動(dòng)阻力。磁矩大小和疇壁移動(dòng)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(duì)磁性還有不利影響。所以材料的C含量對(duì)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(guò)0.02%時(shí)，材料的磁學(xué)特性急劇下降，說(shuō)明在使用一般材料（S10C、SUM系易切削鋼）做鐵芯時(shí)，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(huì)有很大不同，導(dǎo)致電磁元件特性發(fā)生很大波動(dòng)。
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(hù)制鋼開(kāi)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(duì)磁性沒(méi)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(gè)重要因素是疇壁移動(dòng)阻力。當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，疇壁在材料中移動(dòng)。磁能低的晶界和析出物是阻礙疇壁移動(dòng)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(chǎng)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(huì)導(dǎo)致電阻率下降，所以，純鐵系磁性材料在用于高勵(lì)磁頻率時(shí)，應(yīng)考慮趨膚效應(yīng)和渦流損耗等問(wèn)題。
1.3應(yīng)變的影響
對(duì)磁性材料進(jìn)行拔絲或鍛造時(shí)，會(huì)將位錯(cuò)導(dǎo)入材料中，在位錯(cuò)周?chē)鷳?yīng)變場(chǎng)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(cuò)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(kāi)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(chǎng)退火的鍛造狀態(tài)下使用本開(kāi)發(fā)鋼，可以提高電磁控制元件的功能。
磁場(chǎng)退火材料在退火再結(jié)晶過(guò)程中消除了加工應(yīng)變對(duì)磁性的不利影響，并且由于晶粒長(zhǎng)大，減少了晶界面積，降低了疇壁移動(dòng)阻力，所以磁學(xué)特性明顯改善。對(duì)于單相鐵素體純鐵系磁性材料，這種磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)變形抗力進(jìn)行測(cè)定。在室溫至200℃范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)鋼ELCH2的變形抗力小于S10C球化退火鋼，這對(duì)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(kāi)發(fā)鋼在預(yù)計(jì)的冷鍛發(fā)熱溫度200℃以上時(shí)，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(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用的結(jié)果。因此對(duì)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(shí)效的影響。
在冷鍛工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮鍛造工藝對(duì)磁學(xué)特性的影響。因此在設(shè)計(jì)冷鍛工藝時(shí)，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(dòng)。
2.2 熱處理?xiàng)l件
退火時(shí)的晶粒長(zhǎng)大與退火溫度和退火時(shí)間有關(guān)，但退火溫度的影響更大一些。在退火時(shí)間相同的情況下，退火溫度越高，晶粒越大，越可以獲得磁性?xún)?yōu)良的組織。但應(yīng)注意的是，開(kāi)發(fā)鋼的Ac3點(diǎn)約為910℃，所以要防止過(guò)加熱。當(dāng)退火溫度超過(guò)910℃時(shí)，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在隨后的冷卻過(guò)程中生成鐵素體相，會(huì)發(fā)生組織微細(xì)化。所以磁場(chǎng)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(dòng)，工業(yè)生產(chǎn)上采用的ELCH2退火溫度一般是850℃左右。
磁場(chǎng)退火的冷卻條件對(duì)磁學(xué)特性也有影響。當(dāng)試樣緩冷到大于600℃后急冷時(shí)的矯頑力比緩冷到室溫后急冷時(shí)的矯頑力大5%。原因是急冷開(kāi)始溫度較低時(shí)，熱應(yīng)變的影響較小。此外，緩冷到600℃左右時(shí)，對(duì)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(lái)看，應(yīng)該是加熱保溫后迅速出爐快冷。但對(duì)要求高磁性的材料進(jìn)行磁場(chǎng)退火時(shí)，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?xún)?yōu)良，但切削加工性差。神戶(hù)制鋼對(duì)影響純鐵系材料切削加工性的因素進(jìn)行了研究，開(kāi)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(hù)制鋼開(kāi)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(dòng)作。汽車(chē)自動(dòng)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(chǎng)解析方法對(duì)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(duì)電磁元件進(jìn)行特性解析使用的解析對(duì)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(lì)磁電流：0～2A、滑閥行程：1.5mm。對(duì)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(lì)磁電流的增加而緩慢增大，從勵(lì)磁電流0.5A開(kāi)始，電磁力與勵(lì)磁電流成正比例關(guān)系。勵(lì)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(lì)磁電流為1A時(shí)，電磁力增大10%、勵(lì)磁電流為2A時(shí)，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(dòng)作精度
對(duì)直螺線管等電磁元件的要求，除了大電磁力，還有動(dòng)作精度高和控制性良好。油壓裝置的油壓和油量是通過(guò)電磁閥幾十個(gè)微米的位置變化來(lái)控制的。因此要求能夠?qū)χ甭菥€管可動(dòng)鐵心進(jìn)行精確控制。
直螺線管可動(dòng)鐵心動(dòng)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(shí)，即使勵(lì)磁電流是同一個(gè)值，電磁力大小也會(huì)產(chǎn)生差異，導(dǎo)致可動(dòng)鐵芯動(dòng)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(dòng)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(dòng)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。
