磁性材料磁滞回线重要参数的应用分析

胡海波

【摘 要】磁性材料在汽车电磁元件中有着重要作用，它是汽车执行器的核心材料之一。磁性材料的磁滞回线是磁性材料本身固有的特征，但是这个特性会因为加工工艺而改变。因此，掌握磁滞回线的重要参数，能很好地选用合适的磁性材料用于汽车电磁阀，以及利用热处理工艺调整磁性参数，以提高设计的成功率，提高产品的稳定性。

【关键词】磁滞回线；磁饱和强度；导磁率；矫顽力

【中图分类号】TM271；TM206【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2018）06-0170-05

0 引言

汽车电子零件中有很多电磁阀元件，其中很多电磁阀零件需要使用磁性材料作为电磁阀的磁气零件，用于保证电能有效转化为电磁力，而且对于一些发动机与车身安全相关的电磁阀，还需要做到转换的及时响应性。这就需要对磁性材料的磁滞回线有充分了解，并且通过测试磁滞回线的主要参数来对材料的性能进行甄别，选取最适合的材料用于不同的电磁阀。而且要懂得适当增加或者减少一些元素的含量来调整磁滞参数，以达到更优的性能。在汽车不同系统中，可以缩短汽车发动机系统的响应时间，提高操控性能和安全性，或提高电磁阀的转换效率，以减少排放。

1 磁性材料特性曲线

众所周知，磁滞回线表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象形成闭合磁化曲线。它表明了强磁性物质反复磁化过程中，磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H之间的关系。

1.1 典型起始磁化曲线和迟滞回线

典型起始磁化曲线和迟滞回线如图1所示。当磁化场足够大，磁化达到饱和状态时，得到的正常磁滞回线即为饱和磁滞回线。通常在这一状态下定义Hc和Br的大小。

饱和磁感应强度Bs的大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。剩余磁感应强度Br是磁滞回线上的特征参数。矫顽力Hc是材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。矫顽力来源于不可逆磁化过程，造成不可逆磁化机理的主要因素是材料中存在磁各向异性（包含磁晶、应力等各向异性）及杂质、气孔、缺陷等。

B-H磁滞回线所包围的面积正比于在一次循环磁化中的能量损耗。对于动态磁滞回线，此能量损耗包括磁滞损耗和涡流损耗等。磁滞回线所包围的面积，表示铁磁物质磁化循环一周所需消耗的能量，这部分能量往往转化为热能而被消耗掉。降低磁滞损耗的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率ρ。

1.2 典型磁饱和曲线（磁导率μ与磁场强度H的关系）

典型磁饱和曲线如图2所示。磁导率μ是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。

对于一般铁磁材料，测量磁滞回线主要是测量静态、饱和态的磁滞回线，回线上有材料的Br、Hc和饱和Bs几个非常有效的磁性静态参数，对使用者判断材料有非常大的作用。此外，对铁磁材料，还有初始磁导率μi、最大磁导率μm等重要的静态参数。

软磁材料的磁导率大，易磁化、易退磁（起始磁化率大），饱和磁感应强度大，矫顽力（Hc）小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小），适用于继电器、电机、电磁元件磁芯、磁元件磁棒等。

2 磁性材料在汽车零件的运用

汽车零件中常用冷轧钢（SPCC、SPCE、DC01、DC03）、易车削钢（11SMn30、11SMnPb30、SAE1005、SWRCH6A）、纯铁粉烧结件，不锈钢（SUS430）作为电磁阀的导磁元件。

下面是在实际的汽车电磁阀新产品开发中，对磁性材料分析、选用、改进的例子和经验。

2.1 汽车高压泵电磁阀

客户指定用SUS430F材料作为阀壳材料，要求Hc<450 A/m，Br>0.62 T。

我们初步选订上海“宝钢”、台湾地区“英钿”、日本“新日铁”、意大利“华宝”的等同SUS430F的材料进行测试和比较。

测试结果显示：上海“宝钢”的材料Hc满足，Br小于规格（如图3所示）；台湾地区“英钿”的材料Hc基本满足，Br小于规格（如图4所示）；日本“新日铁”的材料Hc大于规格，Br小于规格（如图5所示）；意大利“华宝”的材料Hc满足，Br满足（如图6所示）。

用B-H测试仪，测出这4款材料的B-H曲线和磁化曲线，可以比较出材料的磁性能差别。这4款材料都满足欧标1.410 5，B-H的差异和一些微量元素（如C和S的含量）有直接相关。也与原材料是冷拉伸还是热拉伸、是否有退火处理相关。

如果选择了Hc大的材料，装车使用后会引起踩油门时响应不及时，有轻微滞后感。

2.2 汽车VVT控制阀

客户指定用冷镦工艺来加工閥的后轭套，以降低成本，材料为上海“宝钢”的SWRCH5A易车削钢。要求Hc<250 A/m。

材料含C量的高低，会影响Hc值，含C量低，Hc会相应小些。但是材料的加工工艺对Hc的影响较大。对材料金相排布和应力有影响的工艺，比如拉伸、冷镦和冲压，对Hc影响很大，而传统的车削加工对Hc影响不大。那么如何解决这个问题呢？经过查资料和实践摸索，发现用退火工艺可以恢复Hc到接近原材料状态。

原材料的Hc是274 A/m。原材料B-H曲线如图7所示。

冷镦后的Hc是636 A/m，增大了1倍多，超出规格。冷镦后的B-H曲线如图8所示。

冷镦后再进行退火处理，Hc减少到215 m/A，满足要求。冷镦在热处理后的B-H曲线如图9所示。

退火温度为800～1 100℃，时间为100 min，自然冷却。

通过热处理，可以消除冷镦带来的应力，让Hc减少到合格范围。如果没有B-H测试比较，那么使用这个冷镦件后，汽车气门正时时间会滞后，造成气门开闭时间不实时，从而造成燃油能耗增加。

3 汽车尿素泵喷射阀

客户指定使用易车削钢11SMnPb30作为电磁阀阀芯材料，要求Hc<250 m/A。这种含Pb的材料目前国内厂家很少生产，即使有生产，但国产材料几乎不会管控材料的电磁特性，因此我们选取欧洲WDI公司的材料作为首选。但是由于前期样件少，所以原厂不做退火处理。冷拔出来的钢棒Hc略微大于250 A/m，因此我们必须在后期做退火处理。按照EN10088标准推荐的退火温度1 000 ℃进行了2个小时退火。下面是退火前后的B-H曲线和磁化曲线的比较。原材料B-H曲线如图10所示；原材料磁饱和曲线如图11所示；热处理后的B-H曲线如图12所示；热处理后的磁饱和曲线如图13所示。

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

退火处理后，Hc=218 A/m，Br=0.67 T，Bs=1.17 T，μm=1.04，Hc满足规格。

如果我们不做退火处理，那么使用这样的材料做成电磁阀，汽车碳罐里面的尿素喷射就会滞后，造成尾气NO、NO2排放超标，增加环境污染。

4 结语

通过以上原理分析和产品开发的实践验证可知，对磁性材料的磁滞回线分析相当重要，它是选择磁性材料、测试材料、评估电磁阀磁气性能的重要依据。材质成分的调制和后期的退火处理，对于磁性材料的Hc改善具有重要作用。作为开发工程师，应该不断学习总结，将实践经验灵活应用到产品设计中，做出性能优越的电磁元件。

参 考 文 献

[1]郭琦.铁磁性异质结中磁电性能的应变调控研究[D].北京：北京科技大学，2018.

[2]徐泽玮.大功率磁性技术近期来发展回顾与分析：（一）软磁材料[J].磁性材料及器件，2017，48（1）：66-69，72.

[3]陈星星.无稀土MnAl基永磁材料的制备与组织结构和磁性能研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2017.

[责任编辑：陈泽琦]