在全球应对气候变化、推动碳中和目标实现的大背景下，汽车产业正经历以电动化、智能化为核心的深刻转型，控制电动化已成为汽车技术发展的主流方向。国外某钢厂此前开发了纯铁系软磁性材料（ELCH2系列），在磁性能和冷锻性方面表现优异，为需要精密控制的电磁部件的高性能化、小型轻量化以及节能做出了巨大贡献。

近年来，以电池电力为主要驱动源的电动汽车（BEV、PHV等），在续航里程延长以及为车载计算机供电的需求背景下，对驱动系统以外的周边设备（主要是ON-OFF控制设备），进一步降低功耗的需求日益强烈。作为在不直接消耗电力的情况下利用磁力的传统技术，永磁体（硬磁性材料）就是一个典型例子。然而，永磁体不像软磁性材料那样具有灵活的励磁和退磁控制能力，并且由于其成本高且加工难度大，在车载周边设备中的通用性较差。

为解决上述问题，国外某钢厂着眼于具有软磁性和硬磁性中间特性的半硬磁性，充分运用在软磁性材料研发过程中积累的钢材设计能力和制造技术，开发出了部件加工性能优异且能大幅节能的省合金半硬磁性材料（ELSHM，Electromagnetic & Semi-Hard Magnetic steel）。本文将阐述这种开发钢材的设计准则、主要特性，以及预期的应用实例和预期效果。

图1展示了主要磁性材料的矫顽力与剩余磁通密度的关系。从电磁部件节能的角度来看，国外某钢厂关注的半硬磁性材料，其矫顽力和剩余磁通密度介于软磁性材料和硬磁性材料之间。

图2展示了将各磁性材料应用于电磁部件时，电流与吸引力的关系。软磁性材料能够在小电流下产生较大的电磁力，但由于其矫顽力较低，很难通过材料的剩余磁通来稳定维持电磁力。也就是说，维持电磁力必须通电（励磁）。另一方面，硬磁性材料能够在不直接消耗电力的情况下维持磁力，但其在磁化和退磁过程中会消耗大量电力，因此，控制灵活性较差。此外，硬磁性材料大多是含有稀土元素的烧结材料，成本高且加工难度大。与之相比，半硬磁性材料在瞬间励磁后，能够通过剩余磁通在不通电的情况下维持磁吸引力，从而实现大幅节能，此前已有在继电器等小型部件中应用的实例。

半硬磁性材料主要包括碳素钢、高铬钢、钴铬钢、高锰钢等。然而，碳素钢的矫顽力相对较低，一般在1200A/m以下，在如今注重节能的部件中，应用难度较大。而矫顽力较高的高铬钢、钴铬钢、高锰钢，与永磁体一样，由于是高合金材料，存在成本高和加工难度大的问题。

为克服上述传统材料的问题，国外某钢厂对产生半硬质磁性的组织因素进行了研究，开发出了能够以低成本兼顾实用磁性能和部件加工性能的省合金半硬磁性材料 ELSHM。

矫顽力是半硬磁性材料的性能指标之一。在磁化过程中，对磁畴壁移动的抵抗力越大，矫顽力就越高。此外，影响吸引力的磁通密度，主要是材料的磁矩越大，磁通密度就会增加。磁畴壁移动的抵抗力和磁矩，受到材料化学成分和微观组织的综合影响。图3展示了磁畴壁移动的抵抗机制示意图。如图3所示，晶界、析出物、应变等磁能较低的部位，会阻碍磁畴壁的移动，对矫顽力产生重大影响。此外，当材料含有呈现强磁性的铁素体相或马氏体相时，磁通密度会增大，而非磁性相的存在以及强磁性相中的固溶元素增加，则会导致磁通密度恶化。也就是说，一般情况下，矫顽力和磁通密度呈此消彼长的关系。

传统的半硬磁性材料，磁矩由铁素体相或马氏体相承担，对磁畴壁移动的抵抗力由非磁性相（残余奥氏体γ或非磁性化合物）提供。不过，残余γ通常不稳定，随着温度升高会发生分解，可能导致磁性能发生变化。而利用非磁性化合物的钴铬钢等，由于是高合金材料，在合金成本和部件加工性能方面仍燃存在一些问题。

此次开发的ELSHM，在考虑磁性能稳定化的同时，还兼顾合金成本、部件加工性能等实际应用方面，从以下①-③三个观点出发对钢材进行了优化。

①省合金：通过分散强磁性析出物（铁系碳化物）来抑制磁畴壁移动，在抑制磁矩减小的同时，确保足够的磁畴壁移动抵抗力。

②积极利用晶界来抵抗磁畴壁移动（调质处理）。

③减少固溶元素、残余γ和非磁性化合物，使磁矩最大化并保持稳定。

与传统材料不同，ELSHM不含残余γ，具有晶粒粒径约为0.5μm的细小组织。此外，大量铁系碳化物分散其中，形成了包含众多磁畴壁移动抵抗因素的组织。ELSHM基于上述①-③的设计准则，对化学成分和加工工艺进行了优化。为积极利用铁系碳化物，ELSHM的碳含量高于传统以碳素钢为基础的半硬磁性材料，而其他元素则尽量减少添加。

图4展示了改变碳含量的调质钢的矫顽力测量结果。随着碳含量的增加，矫顽力增大的效果增强，但过量添加会导致碳化物粗大化，数量密度减少，从而降低对磁畴壁移动的抵抗力，使得矫顽力增大的效果达到饱和。此外，粗大的碳化物会作为应力集中源，导致部件加工性能恶化。因此，综合考虑磁性能和加工性能来选定碳含量。

图5为ELSHM的适用工艺示例。与传统的高合金半硬磁性材料相比，ELSHM的铬、钴、镍等合金元素含量较少，因此，可以进行拉丝加工、锻造加工等塑性加工以及切削加工。然而，加工应变会导致磁性能下降，从通过组织控制（消除应变、细化晶粒、分散碳化物等）实现材料特性最大化的角度考虑，粗加工后需要在适当条件下进行调质处理。

4.1 磁性能

表1展示了ELSHM的磁性能。其中，以传统半硬磁性材料代表（中碳钢 S45C），以及软磁性材料代表（低碳钢S10C）相比较。作为矫顽力和剩余磁通密度平衡的指标，具有最大磁能积（［BH］_max）。［BH］_max是磁滞回线（B-H曲线）第二象限中磁场强度（H）与磁通密度（B）乘积的最大值。

ELSHM的［BH］_max值优于中碳钢半硬磁性材料和低碳钢软磁性材料（表2）。与永磁体等硬磁性材料相比，ELSHM的矫顽力不过大，且最大相对磁导率（μ_max）较高，这也是其特点之一。

硬磁性材料由于矫顽力大且相对磁导率低，在磁化和退磁过程中会消耗大量电力，节能效果不明显。而ELSHM在实现节能方面，具有适度的磁性能平衡，能够实现电磁部件的节能。

4.2磁性能的温度依赖性

当励磁电流（铜线）的焦耳热损失和磁性材料的铁损产生的热量超过部件的冷却能力时，会导致包含磁性材料的部件温度升高。如果磁性能随温度变化较大，那么在不同使用环境下，部件性能会明显恶化。因此，受温度影响小、稳定的磁性能至关重要。

图6展示了ELSHM的剩余磁通密度随温度的变化情况。由于ELSHM不含残余γ，不会发生因残余γ分解导致的组织变化，可见其磁性能的温度稳定性较高。

4.3力学性能

形成磁路的电磁部件的形状和尺寸精度，对部件性能有很大影响。为适应部件形状的复杂化和高精度要求，调质后的加工性能所涉及的力学性能非常重要。

表2展示了ELSHM（调质后）的力学性能示例。其抗拉强度为1111MPa，延伸率为15.4%，具有作为结构材料适用的良好力学性能。相比之下，硬磁性材料永磁体的抗拉强度在100MPa以下，且没有延性。另外，含有大量铬、钴、镍等元素的传统半硬磁性材料，由于有较多高合金析出物分散其中，被认为延性较差。ELSHM与硬磁性材料和高合金半硬磁性材料不同，具有良好的部件加工性能，能够适应复杂的部件形状和高精度要求。

ELSHM具有矫顽力和剩余磁通密度平衡良好的特点，如图2所示，能够利用剩余磁通进行部件设计并实现节能。后文将报告通过电磁场分析对ELSHM预期效果进行定量探讨的案例。

5.1目标部件与分析方法

在进行电磁部件的特性分析时，使用了市售的电磁模拟软件JMAG（22.3版）。分析对象选择了电磁离合器，这是汽车领域中对节能需求较大的部件。图7展示了模拟的电磁离合器结构。

电磁离合器由可动子、定子等磁性部件，以及励磁线圈等部件组成，通过线圈通电产生的吸引力来传递和切断动力。在本次探讨中，设定可动子尺寸为φ38mm×4mm，定子尺寸为φ38mm×16mm，线圈匝数为250匝。

磁性材料（可动子、定子）选用表1所示的ELSHM、S45C（半硬磁性材料）、S10C（软磁性材料）三种。S45C是模拟传统文献中调质型碳素钢的材料。分析所用的磁性能数据为表1中的数据。为进行考虑高精度剩余磁通的分析，使用了JMAG推荐的多个磁滞回线。

5.2 ELSHM的应用效果

为了比较使用各材料时不通电状态下的磁吸引力（F_m），在通入励磁电流后，切断电流，对Fm进行分析。图8展示了励磁电流与F_m的关系。在励磁电流为0.6A以上的条件下，ELSHM与S45C和软磁性材料（S10C）相比，能够获得更高的F_m。

图9展示了作为矫顽力和剩余磁通密度平衡指标的［BH］_max与F_m的关系。其中，［BH］_max越大，F_m越大，这表明ELSHM较高的剩余磁通密度能够带来高磁吸引力。需要注意的是，由于电磁部件的形状等因素，最佳的磁性能参数可能会有所不同，因此，需要综合考虑磁性能和磁路设计。

为计算ELSHM应用的节能效果，假设电磁离合器部件需要300N的磁吸引力，并据此计算应用效果。如图8所示，ELSHM在将励磁电流从0.9A降至0A（不通电）时，能够获得300N的磁吸引力。而S45C和S10C在不通电的无励磁状态下，无法获得300N的磁吸引力。为计算 S45C和S10C获得300N磁吸引力所需的励磁电流，通过电磁场分析整理了励磁电流与磁吸引力（f）的关系。图10展示了励磁电流与f的关系。如图10所示，要获得300N的磁吸引力，S45C和S10C分别需要通入0.49A和0.3A的电流。由于软磁性材料S10C的相对磁导率较高，与S45C相比，能够以较小电流获得较高磁吸引力。

图11展示了获得300N磁吸引力所需励磁电流的分析结果。假设ELSHM为提高对干扰的磁吸引力稳定性，每60s需要励磁一次。与S45C和S10C需要持续通电不同，ELSHM只需每隔一定时间通入一次励磁电流，就能稳定维持所需的磁吸引力。

图12为基于图11计算功耗所得出的结果。该结果表明，与S45C和S10C相比，ELSHM的功耗大幅降低了95%以上。

综上所述，研发钢材ELSHM是一种对电磁部件节能极为有效的材料。此外，与传统的同类磁性材料相比，由于其为省合金材料，因而被认为具有低成本且优异的部件加工性能。国外某钢厂主要围绕软磁性材料，通过对电磁部件进行磁场分析，构建并强化了解决方案技术。

文介绍了省合金半硬磁性材料ELSHM的特性，并以电磁离合器为例，验证了ELSHM的节能效果。随着节能需求的不断扩大，预计这类利用剩余磁通的半硬磁性材料的应用范围将进一步拓展。此外，该钢厂将推进更多适用部件的筛选与验证工作，同时开展适用于新兴成长型部件的材料研发。