磁性材料磁滯回線重要參數的應用分析

胡海波

【摘 要】磁性材料在汽車電磁元件中有著重要作用，它是汽車執行器的核心材料之一。磁性材料的磁滯回線是磁性材料本身固有的特征，但是這個特性會因為加工工藝而改變。因此，掌握磁滯回線的重要參數，能很好地選用合適的磁性材料用于汽車電磁閥，以及利用熱處理工藝調整磁性參數，以提高設計的成功率，提高產品的穩定性。

【關鍵詞】磁滯回線；磁飽和強度；導磁率；矯頑力

【中圖分類號】TM271；TM206【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2018）06-0170-05

0 引言

汽車電子零件中有很多電磁閥元件，其中很多電磁閥零件需要使用磁性材料作為電磁閥的磁氣零件，用于保證電能有效轉化為電磁力，而且對于一些發動機與車身安全相關的電磁閥，還需要做到轉換的及時響應性。這就需要對磁性材料的磁滯回線有充分了解，并且通過測試磁滯回線的主要參數來對材料的性能進行甄別，選取最適合的材料用于不同的電磁閥。而且要懂得適當增加或者減少一些元素的含量來調整磁滯參數，以達到更優的性能。在汽車不同系統中，可以縮短汽車發動機系統的響應時間，提高操控性能和安全性，或提高電磁閥的轉換效率，以減少排放。

1 磁性材料特性曲線

眾所周知，磁滯回線表示磁場強度周期性變化時，強磁性物質磁滯現象形成閉合磁化曲線。它表明了強磁性物質反復磁化過程中，磁化強度M或磁感應強度B與磁場強度H之間的關系。

1.1 典型起始磁化曲線和遲滯回線

典型起始磁化曲線和遲滯回線如圖1所示。當磁化場足夠大，磁化達到飽和狀態時，得到的正常磁滯回線即為飽和磁滯回線。通常在這一狀態下定義Hc和Br的大小。

飽和磁感應強度Bs的大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化矢量整齊排列。剩余磁感應強度Br是磁滯回線上的特征參數。矯頑力Hc是材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。矯頑力來源于不可逆磁化過程，造成不可逆磁化機理的主要因素是材料中存在磁各向異性（包含磁晶、應力等各向異性）及雜質、氣孔、缺陷等。

B-H磁滯回線所包圍的面積正比于在一次循環磁化中的能量損耗。對于動態磁滯回線，此能量損耗包括磁滯損耗和渦流損耗等。磁滯回線所包圍的面積，表示鐵磁物質磁化循環一周所需消耗的能量，這部分能量往往轉化為熱能而被消耗掉。降低磁滯損耗的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。

1.2 典型磁飽和曲線（磁導率μ與磁場強度H的關系）

典型磁飽和曲線如圖2所示。磁導率μ是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。

對于一般鐵磁材料，測量磁滯回線主要是測量靜態、飽和態的磁滯回線，回線上有材料的Br、Hc和飽和Bs幾個非常有效的磁性靜態參數，對使用者判斷材料有非常大的作用。此外，對鐵磁材料，還有初始磁導率μi、最大磁導率μm等重要的靜態參數。

軟磁材料的磁導率大，易磁化、易退磁（起始磁化率大），飽和磁感應強度大，矯頑力（Hc）小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小（HdB面積小），適用于繼電器、電機、電磁元件磁芯、磁元件磁棒等。

2 磁性材料在汽車零件的運用

汽車零件中常用冷軋鋼（SPCC、SPCE、DC01、DC03）、易車削鋼（11SMn30、11SMnPb30、SAE1005、SWRCH6A）、純鐵粉燒結件，不銹鋼（SUS430）作為電磁閥的導磁元件。

下面是在實際的汽車電磁閥新產品開發中，對磁性材料分析、選用、改進的例子和經驗。

2.1 汽車高壓泵電磁閥

客戶指定用SUS430F材料作為閥殼材料，要求Hc<450 A/m，Br>0.62 T。

我們初步選訂上海“寶鋼”、臺灣地區“英鈿”、日本“新日鐵”、意大利“華寶”的等同SUS430F的材料進行測試和比較。

測試結果顯示：上海“寶鋼”的材料Hc滿足，Br小于規格（如圖3所示）；臺灣地區“英鈿”的材料Hc基本滿足，Br小于規格（如圖4所示）；日本“新日鐵”的材料Hc大于規格，Br小于規格（如圖5所示）；意大利“華寶”的材料Hc滿足，Br滿足（如圖6所示）。

用B-H測試儀，測出這4款材料的B-H曲線和磁化曲線，可以比較出材料的磁性能差別。這4款材料都滿足歐標1.410 5，B-H的差異和一些微量元素（如C和S的含量）有直接相關。也與原材料是冷拉伸還是熱拉伸、是否有退火處理相關。

如果選擇了Hc大的材料，裝車使用后會引起踩油門時響應不及時，有輕微滯后感。

2.2 汽車VVT控制閥

客戶指定用冷鐓工藝來加工閥的后軛套，以降低成本，材料為上海“寶鋼”的SWRCH5A易車削鋼。要求Hc<250 A/m。

材料含C量的高低，會影響Hc值，含C量低，Hc會相應小些。但是材料的加工工藝對Hc的影響較大。對材料金相排布和應力有影響的工藝，比如拉伸、冷鐓和沖壓，對Hc影響很大，而傳統的車削加工對Hc影響不大。那么如何解決這個問題呢？經過查資料和實踐摸索，發現用退火工藝可以恢復Hc到接近原材料狀態。

原材料的Hc是274 A/m。原材料B-H曲線如圖7所示。

冷鐓后的Hc是636 A/m，增大了1倍多，超出規格。冷鐓后的B-H曲線如圖8所示。

冷鐓后再進行退火處理，Hc減少到215 m/A，滿足要求。冷鐓在熱處理后的B-H曲線如圖9所示。

退火溫度為800～1 100℃，時間為100 min，自然冷卻。

通過熱處理，可以消除冷鐓帶來的應力，讓Hc減少到合格范圍。如果沒有B-H測試比較，那么使用這個冷鐓件后，汽車氣門正時時間會滯后，造成氣門開閉時間不實時，從而造成燃油能耗增加。

3 汽車尿素泵噴射閥

客戶指定使用易車削鋼11SMnPb30作為電磁閥閥芯材料，要求Hc<250 m/A。這種含Pb的材料目前國內廠家很少生產，即使有生產，但國產材料幾乎不會管控材料的電磁特性，因此我們選取歐洲WDI公司的材料作為首選。但是由于前期樣件少，所以原廠不做退火處理。冷拔出來的鋼棒Hc略微大于250 A/m，因此我們必須在后期做退火處理。按照EN10088標準推薦的退火溫度1 000 ℃進行了2個小時退火。下面是退火前后的B-H曲線和磁化曲線的比較。原材料B-H曲線如圖10所示；原材料磁飽和曲線如圖11所示；熱處理后的B-H曲線如圖12所示；熱處理后的磁飽和曲線如圖13所示。

原材料Hc=291 m/A，Br=0.77 T，Bs=1.25 T，μm=0.88，Hc超出規格。

退火處理后，Hc=218 A/m，Br=0.67 T，Bs=1.17 T，μm=1.04，Hc滿足規格。

如果我們不做退火處理，那么使用這樣的材料做成電磁閥，汽車碳罐里面的尿素噴射就會滯后，造成尾氣NO、NO2排放超標，增加環境污染。

4 結語

通過以上原理分析和產品開發的實踐驗證可知，對磁性材料的磁滯回線分析相當重要，它是選擇磁性材料、測試材料、評估電磁閥磁氣性能的重要依據。材質成分的調制和后期的退火處理，對于磁性材料的Hc改善具有重要作用。作為開發工程師，應該不斷學習總結，將實踐經驗靈活應用到產品設計中，做出性能優越的電磁元件。

參 考 文 獻

[1]郭琦.鐵磁性異質結中磁電性能的應變調控研究[D].北京：北京科技大學，2018.

[2]徐澤瑋.大功率磁性技術近期來發展回顧與分析：（一）軟磁材料[J].磁性材料及器件，2017，48（1）：66-69，72.

[3]陳星星.無稀土MnAl基永磁材料的制備與組織結構和磁性能研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2017.

[責任編輯：陳澤琦]