1J22高饱和磁感应强度软磁合金

61J22软磁合金简介编制单位生产技术部编制时间2015年10月页次第1页共10页1J22高饱和磁感应强度软磁合金简介一、软磁合金简介1.1软磁合金简介软磁合金（softmagneticalloy）是在弱磁场中具有高的磁导率及低的矫顽力的一类合金，在外磁场作用下容易磁化，去除磁场后磁感应强度又基本消失的磁性合金。这类合金广泛应用于无线电电子工业、精密仪器仪表、遥控及自动控制系统中，综合起来主要用于能量转换和信息处理两大方面，是国民经济中的一种重要材料。其磁滞回线面积小而窄，矫顽力一般800A/m，电阻率高，涡流损耗小，导磁率高，饱和磁感高。一般都加工成板材和带材，熔融法制备，主要用作电器、电信工业中的各种铁芯元件（如变压器铁芯、继电器铁芯、扼流圈等）。常用软磁合金有低碳电工钢、阿姆科铁、硅钢片、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金、铁硅软磁合金等。1.2软磁合金的物理性能软磁合金的磁滞回线面积小且窄，矫顽力（Hc）一般10Oe（1Oe≈79.6A/m）。软磁合金的主要磁特性是：①矫顽力(Hc)和磁滞损耗(Wh)低；②电阻率(ρ)较高，涡流损耗(We)低；③起始磁导率(μ0)和最大磁导率(μm)高；某些合金在低磁场范围内磁导率(B/H)保持恒定；④饱和磁感(Bs)高；⑤某些合金磁滞回线呈矩形，矩形比即剩磁/最大磁感(Br/Bm)高。这些磁性能同合金的结构状态和成分密切相关。合金中的碳、硫、氮和氧等杂质对磁性特别有害，因为它们使晶格畸变，难以磁化，碳和氮还会引起磁时效现象。软磁合金一般要求成品晶粒尺寸大，以便降低Hc和Wh值。一般铁磁性金属的磁性随晶轴方向不同而异，如铁的100方向易于磁化，111方向难于磁化。因此控制晶粒取向可以在材料的特定方向获得更好的磁性能。铁的电阻率(ρ)低，添加某些合金元素可以提高ρ值，加硅和铝的效果最为明显。在铁中加入任何合金元素（除钴外），都会使它的饱和磁感Bs降低。1.3软磁合金的发展和分类19世纪末用低碳钢板制造电机和变压器铁芯。1900年磁性更高的硅钢片很快取代了低碳钢，用来制造电力工业的产品。1917年出现了Ni-Fe合金以适应当时电话系统的需要。后来又出现了具有不同磁特性的Fe-Co合金(1929)、Fe-Si-Al合金(1936)和Fe-Al合金（1950）以满足特殊用途。中国于1953年开始生产热轧硅钢片。50年代末开始研究Ni-Fe和Fe-Co等软磁合金，60年代陆续开始生产一些主要的软磁合金。70年代开始生产冷轧硅钢带。软磁合金可分为低碳电工钢和阿姆科铁、硅钢片、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金、铁硅铝软磁合金等，在电力工业方面，主要采用在较高磁场下具有高磁感和低铁芯损耗的合金。在电子工业方面，主要采用在低或中等磁场下具有高磁导率和低矫顽力的合金。在高频下则须采用薄的带材或更高电阻率的合金。一般都用板材或带材。表1软磁合金牌号及用途序号软磁合金分类牌号执行标准用途1镍铁软磁合金1J46，1J50，1J54，1J76，1J77，1J79，1J80，1J85，1J86，1J34，1J51，1J52，1J65，1J66，1J67，1J83，1J403GBn198-88大部分用于弱磁或中等磁场工作的小型变压器，脉冲变压器，继电器，互感器，磁放大器，电磁离合器，扼流圈铁芯及磁屏蔽2磁温度补偿合金1J30，1J31，1J32，1J33，1J38GB/T15005-94电磁回路和永磁回路中的磁分路补偿元件3耐蚀软磁合金1J36，1J116，1J117GB/T14986-94在氧化性介质和肼类介质中工作的电磁器件4高硬度高电阻高磁导合金1J87，1J88，1J89，1J90，1J91GB/T14987-94用于制作录音机和磁带机磁头芯片以及微特电机变压器，传感器，磁放大器等各种高频电感元件铁芯5磁头用软磁合金1J75，1J77C，1J79C，1J85C，1J87C，1J92，1J93，1J94，1J95YB/T086-1996用于制作磁头外壳，芯片，隔离片6高饱和磁感应强度软磁合金1J22GB/T15002-94电磁铁极头，电话耳机振动膜，力矩马达转子1.4Fe-Co基软磁合金的发展和应用为了获得更加优异的综合性能，Fe-Co合金作为软磁材料从合金微观组织形态上经历了从晶态组织到非晶纳米晶组织的发展过程。其合金成分也随之发生了由二元合金到多元合金的演变。1.4.1传统的Fe-Co晶态合金Fe-Co二元晶态合金由3种物相组成，即体心立方(bcc)α′无序晶体结构、体心立方(bcc)相及面心立方(fcc)相。研究已表明，含35%Co的Fe-Co合金饱和磁通密度Bs达到最大值，其Bs值可达2.45T，居里点约为900℃，而且，Fe-Co合金的居里点随其钴含量的增加而提高。约含50%Co时居里点最高，为980℃，此时，合金的磁晶各向异性常数K1值接近于零，具有最高的磁导率。但是，Fe-Co晶态合金涡流损耗较高，只适于在直流和低频条件下使用，目前主要用于航空发电机和电动机、大功率脉冲变压器铁芯等。1.4.2Fe-Co基非晶软磁材料随着非晶制备技术的发展和对非晶合金软磁性能的不断认识，Fe-Co非晶合金逐渐得到了材料研究者的特别关注和深入研究。按照Inoue提出的非晶形成3条经验法则，研究者在Fe-Co二元晶态合金中添加约20%（原子分数）不同配比的Si、B、C、P等类金属非磁性元素用于提高合金的非晶形成能力，其余约80%为Fe、Co、Ni等磁性元素作为基体合金，从而研制出了Fe-Co基非晶软磁材料。由于受非晶形成能力和制备过程中传热的限制，目前只能获得低维产品，工业应用的Fe-Co非晶软磁合金材料主要是通过对粒状、带状等低维非晶材料进行热挤压、热轧、热锻等后续加工来获得各种形状的产品。虽然，Fe-Co基合金非晶带材已经广泛用于各种变压器和电感器，成为电力、电子和信息领域不可缺少的重要基础材料。但是其形状特征在某些方面也始终限制着它的许多应用。随着块体非晶材料制备技术的不断创新和发展，大体积块体非晶材料的出现为扩大Fe-Co非晶软磁合金的应用提供了基础。然而，与其它非晶态合金一样，Fe-Co基非晶软磁材料由于非晶态处于非平衡态，具有向平衡晶态转化的趋势，这种不稳定性限制了它的应用范围，一般只能在较低的温度下使用，因而提高非晶合金的稳定性已是当务之急。同时，Fe-Co基非晶合金材料的矫顽力和高频损耗还有待于进一步降低，并且也存在脆性和可加工性差的缺点。1.4.3FeCo纳米晶软磁材料1988年日本人Yoshizawa在FeSiB合金基体中加入少量Cu和Nb，首先利用熔体急冷法制备出了非晶态合金，随后经过热处理得到了高磁导率、低损耗、低磁致伸缩的Fe基纳米晶材料（商品名为FINEMET）。虽然，由于其优异的软磁性能，Fe基纳米晶材料受到了各国材料科学工作者和产业界的关注。但是由于Fe基纳米晶合金较低的居里温度（TC300℃），限制了其在高温情况下的应用。20世纪90年代末期，Willard用Co部分替代FeZrBCu非晶合金(商品名为NANOPERM)中的Fe得到了纳米晶非晶共存的FeCoZrBCu合金（商品名为HITPERM）。由于该合金中非晶相和纳米晶相居里温度的提高，使材料的高温性能明显得到改善，使用温度可达600℃。此后，Fe-Co基纳米晶合金得到了快速发展和应用。1.5本文的目的1J22合金是一种具有较高的饱和磁化强度、磁导率、居里点、较低的矫顽力以及损耗小等优点的软磁合金，它适用于制造要求体积小、重量轻的元器件。已广泛用于飞行器电源变压器和机载雷达变压器、电磁铁极头、微电机转子、继电器、换能器、耳机振动膜等。2015年10月份我司发展部了解到某公司有1J22合金带材的需求，而我司并不具备1J22合金的生产经验，对这种合金的了解和技术积累基本是一片空白。本文将从发展和应用、理化性能、加工工艺等方面系统的介绍1J22合金，为我司实现1J22合金的生产加工提供指导。二、1J22高饱和磁感应强度软磁合金简介2.11J22合金牌号高饱和磁感应强度软磁合金中国国家标准中规定的牌号为1J22(Co50V2)，其他国家的类似牌号是AFK502(法国)，49КФ(俄罗斯)，Permendur49(英国)，UNSR30005(美国)，Supermendur(美国)，HiperCo50(美国)。2.21J22合金的化学成分表21J22化学成分（%）合金牌号CMnSiPSCuNiCoVFe不大于1J220.040.300.300.020.020.200.5049.0～51.00.8～1.8余量备注：根据GB/T15002-19942.31J22合金的物理性能表31J22物理性能合金牌号电阻率μΩ·m密度g/cm3居里点℃饱和磁感应强度，T饱和磁致伸缩系数，10-6弹性模量，GPa抗拉强度，Mpa硬度冷硬态软态冷态硬HRC软态HRB1J220.48.29802.4560～10021613254903590表41J22经热处理后的磁性能合金牌号成品类型在不同磁场强度（A/m）时的磁感应强度（T）矫顽力Hc（A/m）B400B800B1600B2400B4000B8000不小于不大于1J22冷轧带材1.61.82.02.12.152.2128丝材、锻（轧）材——————2.052.152.2144备注：根据GB/T15002-1994表51J22在不同厚度时的铁损（W/kg）厚度/mmf/Hz磁通密度PP1.5P1.7P1.9P2.0P2.10.1503.54～4.744.40～5.935.49～7.526.32～9.058.29～11.840030.15～3931.5～48.642.5～58.448.7～63.255.5～69.480062.7～82.478.3～102.194.5～122.5103～131.5114.1～153.1100074.6～105.991.7～132110.9～158.3122～173.1138.8～197.80.2503.68～4.034.59～4.995.77～6.626.7～7.878.33～9.8440035.2～36.343.7～45.250.4～56.558.4～64.264.0～77.680084.7～87.7106.5～110.8130.6～138.2144～156.1157.0～1791000115.2～121.4146～153.1182～192.3198～210.8222～2410.3503.79～4.194.66～5.305.48～6.956.29～9.277.00～9.7540045.1～51.356.9～65.170.2～79.677.5～88.485.7～99.8800125.1～145161.1～188204～233227～258241～290.51000177.5～206234～266297～334332～374369.5～4342.41J22合金的尺寸及允许偏表51J22尺寸及允许偏差备注：根据GB/T15002-19942.51J22合金的技术标准GB/T15001-1994《软磁合金尺寸、外形、表面质量、实验方法和检验规则》GB/T15002-1994《高饱和磁感应强度软磁合金技术条件》A801/A801M-99《UNSR30005和K92650锻造铁钴高饱和磁感应强度软磁合金规范》2.61J22合金的应用1J22是高饱和磁感应强度铁钴钒软磁合金，是现有的软磁合金中饱和磁感应强度最高的（Bs=2.45T），饱和磁致伸缩系数最大(60～100×10-6)，居里点也很高(980℃)，是居里点最高的软磁合金。由于饱和磁感应强度高，在制作同等功率的电机时，可大大缩小体积，在作电磁铁时，在同样截面积下能产生大的吸合力。由于居里点高，可使该合金能在其他软磁材料已经完全退磁的较高温度下工作，并保持良好的磁稳定性。由于有大的磁致伸缩系数，极适于作磁致伸缩换能器，输出能量高，工作效率也高。该合金电阻率低(0.4μΩ·m)，不宜在高频下使用。通过加入1.4～1.8的V元素