在汽车领域电动化和脱碳进程不断推进的背景下，对电磁部件的性能提出了更高要求。以高磁通密度和冷锻性为特点的纯铁系软磁线材（ELCH2系列产品），是神户制钢开发的一种助力电磁部件小型化和节能的钢材。此外，为满足日益多样化的需求，神户制钢正在推进响应性和交流特性得以提升的纯铁系软磁线材（ELAC系列产品）以及薄板化的电磁纯铁板（KELMOS）的开发。本文介绍了纯铁系软磁材料的磁性能和加工性能。此外，通过对电磁继电器部件的磁场分析，证实了用纯铁系软磁线材和电磁纯铁板替代普通低碳钢用于电磁部件，可提升磁性能和响应性。
电动汽车（EV）是以电池为核心的复杂系统，对集成在车载电子设备中的电机、螺线管、继电器等电磁部件的要求也日益多样化和高端化。电磁部件需要具备更高的响应性以实现快速操作，实现小型化以减轻重量和节省空间，以及实现节能以减轻电池负荷。此外，由于搭载逆变器，叠加交流磁场的部件增多，因此，降低涡流损耗成为必然要求。过去，这些电磁部件大多使用碳含量约0.1%的低碳钢。然而，要满足高端部件的要求，材料的高性能化必不可少。
神户制钢开发出适用于直流部件的纯铁系软磁线材ELCH2系列产品，还开发了通过添加元素来提高响应性和抑制涡流的交流用电磁线材ELAC系列产品，以及利用ELCH2的技术成果开发的电磁纯铁板KELMOS，还有以低铁损、高效率为特点且适用于三维磁路设计的磁性铁粉MAGMEL等，并结合磁场分析技术和二次加工技术，构建了磁性材料解决方案。本文将介绍该公司开发的纯铁系软磁线材ELCH2系列、ELAC系列以及电磁纯铁板KELMOS的主要特性及其用途。
1ELCH2系列和ELAC系列产品
1.1化学成分和磁性能
神户制钢根据目标特性设计开发钢的化学成分和材料组织，使其发挥出高性能。从磁力和输出控制的角度考虑，用于电磁部件的软磁材料需要具备高磁通密度和低矫顽力。此外，为获得时间响应性和交流特性，需要同时提高电阻率。表1展示了ELCH2系列产品（ELCH2和ELCH2S）、ELAC系列产品（ELAC20和ELAC30）以及典型传统钢S10C的化学成分。表2列出了各钢材的磁性能和电阻率。ELCH2系列和ELAC系列等产品的特点是高磁通密度和低矫顽力，其中ELCH2系列产品在最大磁通密度方面表现尤为出色，ELAC系列产品则同时兼具高磁通密度和高电阻率。
ELCH2系列产品通过排除对软磁材料磁性能有不利影响的因素，展现出高饱和磁通密度。软磁材料的磁性能受材料中磁矩大小和材料组织的影响。ELCH2系列产品通过极低的碳含量，使材料组织形成高纯度的铁素体单相组织，从而增大磁矩，提高饱和磁通密度（与电磁部件的磁力相关）。此外，为减少阻碍磁畴壁移动的晶界面积，降低了作为晶粒长大核心源的Al、N含量，实现了低矫顽力（与电流控制的难易度相关）。
交流用电磁线材ELAC系列产品在确保磁性能和锻造性的范围内，向ELCH2中添加元素，从而提高了电阻率。这抑制了阻碍材料磁化的涡流产生，提高了对外部磁场变化的时间响应性，并且在交流应用中能够降低涡流损耗（即降低功耗）。ELAC系列产品根据电阻率不同，提供了ELAC20（电阻率：约20μΩ·cm）、ELAC30（电阻率：约30μΩ·cm）等钢材，可根据要求特性提供合适的材料方案。作为添加元素的权衡，相比ELCH2系列产品，ELAC系列产品的饱和磁通密度略有降低，但在低磁场区域磁性能较高，适用于对响应速度有要求的部件以及交流应用，如在表2中B1所示。
1.2冷锻性
ELCH2通过尽量减少添加元素，冷锻性得到了提升。即使在轧制状态下，其变形抗力也低于球化退火后的通用碳钢S10C，并且在出现裂纹前的极限压缩率更高。图1展示了ELCH2、ELAC20、ELAC30在冷镦试验中得到的变形抗力。冷镦试验准备了尺寸φ10mm×15mm的圆柱试样，在应变速率10/s、压下率60%的条件下进行压缩。ELCH2的变形抗力较小，从模具寿命的角度来看具有优势。由于ELAC系列产品为提高电阻率添加了元素，相比ELCH2系列产品，其变形抗力有所提高。不过，该值仍低于600MPa，ELAC系列产品的冷锻性优于球化退火后的S30C和S45C（二者变形抗力均在600MPa以上）。综上所述，ELCH2系列和ELAC系列产品不仅具备高磁性能，还兼具冷锻性。这意味着通过将部件加工进行一体锻造，有望降低制造成本和部件成本。
另一方面，高冷锻性也是高延性的体现，在切削加工中，刀具刃口容易产生积屑，切屑也容易拉伸。为提高纯铁系软磁材料的切削性，添加S并适量分散MnS是一种有效的方法。因此，该公司开发了切削性得到改善的ELCH2S和ELAC20S，还能提供不仅满足电磁部件磁性能要求，还考虑了制造工艺的材料解决方案。
2KELMOS
2.1化学成分和力学性能
在电磁部件中，使用具有适合每个部件形状和加工特性的软磁材料，能够兼顾磁性能和制造成本。因此，神户制钢将在ELCH2线材开发中积累的技术应用于钢板，开发出了能展现出与ELCH2同等磁性能的电磁纯铁板KELMOS（KobeExtraLowcarbonElectro-MagneticOfSteel，神户超低碳电磁钢）。
软磁材料需要具备①高饱和磁通密度和②低矫顽力。表3展示了KELMOS和普通软钢板的成分示例。KELMOS在磁性能提升方面与ELCH2类似，通过超低碳含量设计增加材料中的磁矩，实现了高饱和磁通密度。此外，为抑制阻碍磁响应性的晶粒界面以及降低晶粒生长均匀性的氮化铝的生成，减少了Al、N含量，从而实现了低矫顽力。基于这些特点，将KELMOS应用于电磁部件，有望实现小型轻量化、节能以及控制功能的提升。
除了优异的磁性能外，KELMOS还具有良好的部件加工性。表4展示了KELMOS和普通软钢板SPCC的力学性能。由于SPCC成分规格范围较广，其力学性能容易出现波动，而KELMOS通过尽可能减少合金成分和杂质成分，硬度较低、延伸率较高，加工性优异。
2.2直流磁性能
图2和图3展示了KELMOS和普通软钢板的直流磁性能。使用厚度1.0mm、边长60mm钢板，在850℃的氢气中进行3h的磁性退火后，按照JISC2556标准测量初始磁化曲线和磁滞回线，求出各磁场强度下的磁通密度和矫顽力。如图2所示，KELMOS从低磁场侧开始磁通迅速上升，并且在高磁场侧饱和磁通密度也较高。在图3中，SPCC由于成分波动，其矫顽力有的满足JISSUY-0（SUY：SteelUseforYoke，磁轭用钢）的矫顽力上限60A/m，有的不满足。而KELMOS的矫顽力足够小，磁性能优于SUY-0。因此，将KELMOS应用于继电器和线性螺线管等电磁部件，有望提升性能。
2.3交流磁性能
图4展示了KELMOS的交流磁性能。使用板厚0.8mm、30mm×300mm的试样12片，在850℃的氢气中进行3h的磁性退火后，按照JISC2550标准进行爱泼斯坦试验。评估了在50-1000Hz频率下各磁场的铁损值。根据该铁损值，通过以下公式（1）进行数据拟合，得到板厚0.5mm时的交流磁性能换算结果，如图5所示。
P=KhfBm1.6+Ke（tfBm）2/ρ（1）
其中，f为频率，Bm为最大磁通密度，t为铁板厚度，ρ为磁性材料的电阻率，Kh和Ke为比例常数。例如，无取向电工钢板JIS规格C255250A700（板厚0.5mm）在1.5T、50Hz下的铁损为7W/kg，在相同条件下KELMOS的铁损约为7W/kg，两者相近。因此，在低频（约50-60Hz）交流应用等场景中，KELMOS具有适用性。
3在电磁部件中的应用探讨
为了探讨纯铁系软磁材料在电磁部件中的应用效果及使用差异，进行了磁场分析。磁场分析使用了JSOL公司的电磁场分析软件JMAG（22.3版）。本验证所使用的继电器部件模型如图6所示。该电磁部件由励磁线圈、铁芯、衔铁和轭铁组成，通过在线圈中通入励磁电流形成磁路，从而产生磁力。在本验证中，将铁芯的材质设为S10C、ELCH2或ELAC20，衔铁和轭铁的材质设为SPCC或KELMOS，分析并比较了不同材质组合下的电磁力和响应时间。线圈匝数为5400匝，励磁电压为直流24V。将衔铁从角度θ=5°移动到0°所需的时间定义为响应时间。分析了衔铁处于0°状态（即铁芯与衔铁接触，继电器处于保持状态）时的电磁力，并计算出最大转矩（与继电器部件的磁力相对应）。表5展示了分析结果。当铁芯材质从S10C改为ELCH2时（Case2），由于磁通密度较高，最大转矩增大。当铁芯材质为ELCH2，衔铁和轭铁材质为KELMOS时（Case3），转矩达到最大，与由传统钢（S10C和SPCC）构成的情况（Case1）相比，转矩增大了12.4%。Case2和Case3的响应时间与Case1几乎相同。纯铁系软磁材料由于电阻较低，涡流会阻碍磁化，但高磁通密度对衔铁的强吸引弥补了响应时间。因此，在重视转矩的情况下，应用ELCH2是有效的。转矩增大意味着可以用更小的励磁电流获得相同的转矩，从而能够实现节能、抑制发热，或者减少铜线用量并实现小型化。
当铁芯材质为ELAC20时（Case4和Case5），也能获得比传统钢构成时（Case1）更高的转矩。此外，响应时间比铁芯材质为S10C或ELCH2时（Case1-Case3）缩短了约2%。图7为铁芯材质为ELCH2和ELAC20时（Case2和Case4），电流接通4ms后的涡流分布。由于ELAC20的电阻率高于ELCH2，ELAC20铁芯的表层电流密度降低，因此抑制了阻碍材料磁化的涡流产生，从而缩短了响应时间。此外，当励磁线圈匝数更少、电感更小时，涡流对响应时间的影响相对更大，推测此时ELAC20的应用效果会更加显著。
综上所述，根据所需性能选择合适的材质，能够有效地提升继电器部件的性能并实现节能。
4结语
随着电动汽车（EV）的发展，预计电磁部件的需求将在小型化、节能、交流应用等方面进一步扩大和多样化。本文介绍了以高磁通密度和冷锻性为特征的ELCH2系列产品、在响应时间和涡流降低方面表现优异的ELAC系列产品，以及将ELCH2技术应用于薄板的电磁纯铁板KELMOS的主要特性。这些纯铁系软磁材料不仅各自能够满足电磁部件的特性要求，通过组合使用还能进一步提高性能。
