摘 要：

純鐵的磁性能影響繼電器的核心功能。主要探究在不同的熱處理工藝下幾種不同純鐵材料磁性能的差異，并仿真研究對(duì)繼電器相關(guān)性能的影響。結(jié)合繼電器的實(shí)際使用情況，提出了繼電器純鐵材料以及熱處理工藝選擇的建議。

關(guān)鍵詞：

繼電器; 純鐵; 磁性能; 熱處理工藝

中圖分類號(hào)： TM58

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）07-0060-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.009

Study on Properties of Pure Iron and Soft Magnetic Material of Relay and Selection of Heat Treatment Process

Abstract：

The magnetic properties of the pure iron affect the core function of relays.The differences in magnetic properties of several pure iron materials are investigated primarily under various heat treatment processes and the impact on relay related performane is simulated.Finally， based on the actual usage scenarios of relays，the recommendations on the selection of pure iron materials and heat treatment processes of relay are put forward.

Key words：

relay; pure iron; magnetic performance; heat treatment process

0 引 言

電磁繼電器是一種自動(dòng)控制元件，當(dāng)其輸入端的物理量達(dá)到某一量值時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生階躍式變化，從而達(dá)到控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)和傳遞信息等目的，其已成為國(guó)防尖端技術(shù)、先進(jìn)的工業(yè)和民用設(shè)備不可缺少的基本元件之一［1］。電磁繼電器的工作原理是當(dāng)線圈激勵(lì)時(shí)，銜鐵部分在電磁吸力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)克服反力，完成觸點(diǎn)切換。因此，繼電器線圈激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的電磁吸力大小是衡量繼電器性能的重要指標(biāo)之一，這其中繼電器磁路部分所使用的軟磁材料的磁性能起到了非常重要的作用。

近年來(lái)，隨著中國(guó)工業(yè)制造水平的提高，國(guó)內(nèi)電磁繼電器的可靠性等級(jí)已逐漸提升到M級(jí)，電工純鐵作為影響繼電器電磁力的軟磁材料，其重要性越加明顯。從目前查詢到的文獻(xiàn)來(lái)看，當(dāng)前的研究主要集中在電工純鐵含碳量［2］和熱處理與純鐵晶粒之間的關(guān)系［3］上，而對(duì)純鐵磁性能對(duì)電磁繼電器的使用性能的影響則研究較少?！蹲钚吕^電器選型設(shè)計(jì)制造新工藝新技術(shù)與質(zhì)量檢驗(yàn)調(diào)試故障診斷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)》提出，靈敏型繼電器主要考慮純鐵的初始磁導(dǎo)率，大功率繼電器主要考慮純鐵的最大磁導(dǎo)率，但未查詢到相關(guān)依據(jù)。由于磁導(dǎo)率會(huì)根據(jù)磁場(chǎng)性能發(fā)生變化，其與繼電器的使用關(guān)系較為復(fù)雜。本研究對(duì)不同廠家的電工純鐵的磁性能進(jìn)行分析，并結(jié)合其在電磁繼電器上的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期將兩者有效關(guān)聯(lián)。

1 磁性材料性能參數(shù)

軟磁材料涉及如下的磁性能參數(shù)。矯頑力Hc：材料飽和磁化后，使磁感應(yīng)強(qiáng)度降到0的反向磁場(chǎng)值;初始磁導(dǎo)率μi：磁場(chǎng)無(wú)限小時(shí)，材料初始段的磁導(dǎo)率值;最大磁導(dǎo)率μm：材料能產(chǎn)生的最大磁導(dǎo)率值;磁飽和強(qiáng)度：材料能產(chǎn)生的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

根據(jù)GB/T 13012—2008《軟磁材料直流磁性能的測(cè)量方法》，磁性能測(cè)試即是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件施加從小到大的磁場(chǎng)得到相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，然后根據(jù)計(jì)算式（1），依據(jù)B和對(duì)應(yīng)的H值計(jì)算得到μ。

B=H·μ（1）

式中： H——磁場(chǎng)強(qiáng)度;

μ——磁導(dǎo)率。

某純鐵材料磁導(dǎo)率測(cè)試曲線如圖1所示。圖1中磁導(dǎo)率值為相對(duì)磁導(dǎo)率。

受限于測(cè)量精度，以磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)限趨近于0時(shí)的磁導(dǎo)率視為初始磁導(dǎo)率，然后磁導(dǎo)率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度約為40 A/m時(shí)，磁導(dǎo)率達(dá)到最大值，該值即為最大磁導(dǎo)率。其后，磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大逐漸變小，直到趨近于0，此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為磁飽和強(qiáng)度。由于實(shí)際使用的磁場(chǎng)強(qiáng)度基本不會(huì)超過(guò)10 000 A/m，因此通常會(huì)以B5 000或B10 000等對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)表征。純鐵材料的磁導(dǎo)率曲線趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，只是隨材料和工藝的不同，達(dá)到的最大磁導(dǎo)率的磁場(chǎng)值也不相同，通常約在50 A/m。

2 純鐵性能分析

2.1 純鐵成分

諸多文獻(xiàn)指出，對(duì)于純鐵材料，影響其磁性能的主要因素為碳雜質(zhì)的含量，碳雜質(zhì)含量應(yīng)越低越好。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的電工純鐵標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 6983—2008《電磁純鐵》，該標(biāo)準(zhǔn)與前一版標(biāo)準(zhǔn)存在一定區(qū)別：在GB/T 6983—1986中，規(guī)定了碳雜質(zhì)lt;0.025%，對(duì)于其他雜質(zhì)的含量未作要求;而GB/T 6983—2008中，將碳雜質(zhì)的要求更改為lt;0.01%，且標(biāo)準(zhǔn)將鋁含量單獨(dú)提出來(lái)，控制在0.2%～0.8%。已有相關(guān)文獻(xiàn)及美標(biāo)ATSM-A848《電磁軟鐵標(biāo)準(zhǔn)》均只規(guī)定了碳含量，其他元素均作為雜質(zhì)規(guī)定，并沒(méi)有單獨(dú)提出鋁含量的控制值。產(chǎn)生這種差異的原因是國(guó)內(nèi)工藝水平與國(guó)外存在一定差距，需要添加鋁來(lái)去除鐵中的碳雜質(zhì)才能達(dá)到相應(yīng)的磁性能參數(shù)，故本研究認(rèn)為在滿足純鐵性能的基礎(chǔ)上，可不必關(guān)注國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中鋁含量的下限值。

2.2 磁性能實(shí)測(cè)

純鐵的磁性能與熱處理工藝相關(guān)性較大。目前常規(guī)的熱處理方式有真空熱處理、氫氣熱處理以及空氣熱處理?？紤]到空氣熱處理會(huì)導(dǎo)致純鐵零件氧化，而繼電器要求較高，故基本不采用該工藝，即繼電器上使用的純鐵熱處理工藝以真空熱處理和氫氣熱處理為主。對(duì)于以上2種工藝的優(yōu)劣性，各繼電器廠家也有不同看法，因此有必要對(duì)以上2種工藝進(jìn)行比較。

為了研究不同純鐵標(biāo)準(zhǔn)以及不同熱處理工藝帶來(lái)的差別，本研究準(zhǔn)備了2個(gè)國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的純鐵材料（國(guó)產(chǎn)A廠家和國(guó)產(chǎn)B廠家），并和國(guó)外進(jìn)口的純鐵材料（進(jìn)口C廠家）進(jìn)行對(duì)比，其中國(guó)產(chǎn)A廠家含鋁量0.5%，國(guó)產(chǎn)B廠家含鋁量0.2%，且磁性能均滿足國(guó)內(nèi)DT4C的標(biāo)準(zhǔn);進(jìn)口C廠家含鋁量lt;0.1%，滿足美標(biāo)ATSM-A848電磁軟鐵標(biāo)準(zhǔn)。純鐵通常熱處理溫度為860～930 ℃，為此本研究選取860 ℃和930 ℃ 2個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)［4］，然后分別采用氫氣爐及真空爐進(jìn)行熱處理，按GB/T 13012—2008《軟磁材料直流磁性能的測(cè)量方法》預(yù)先制作規(guī)定的樣件，處理后按相應(yīng)測(cè)試方法得到磁性能參數(shù)。

不同廠家純鐵材料在真空930 ℃工藝下的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知，在磁場(chǎng)強(qiáng)度lt;300 A/m時(shí)，進(jìn)口C廠家材料的初始磁導(dǎo)率及最大磁導(dǎo)率均最高。隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，進(jìn)口C廠家材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸與2個(gè)國(guó)產(chǎn)廠家樣品持平，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 000 A/m時(shí)，3個(gè)廠家材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)別已經(jīng)不大;國(guó)產(chǎn)A廠家材料在B5 000下的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，即國(guó)產(chǎn)A廠家材料的磁飽和強(qiáng)度最高，進(jìn)口C廠家材料的磁飽和強(qiáng)度最低。

國(guó)產(chǎn)B廠家純鐵材料在不同熱處理工藝下磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖3所示。

由圖3可知，低磁場(chǎng)強(qiáng)度100 A/m下，國(guó)產(chǎn)B廠家純鐵材料在采用930 ℃氫氣爐處理的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，其次是930 ℃真空爐處理工藝，最低的是860 ℃真空爐處理工藝。因此，該材料采用930 ℃氫氣爐處理后的初始磁導(dǎo)率及最大磁導(dǎo)率最高。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度提高至300 A/m時(shí)，4個(gè)處理工藝區(qū)別不大;最終在B5 000時(shí)，860 ℃真空爐處理工藝條件的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，即該工藝下的磁飽和強(qiáng)度最高。

不同廠家純鐵材料在不同熱處理工藝下的矯頑力如圖4所示。由圖4可知，3個(gè)廠家樣品在4種熱處理工藝下的矯頑力存在明顯差異。

進(jìn)口C廠家：氫氣爐930 ℃處理矯頑力最低，真空爐860 ℃處理矯頑力最高。氫氣爐處理的矯頑力小于真空爐，差距超過(guò)20 A/m。

國(guó)產(chǎn)B廠家：氫氣爐930 ℃處理矯頑力最低，氫氣爐860 ℃處理矯頑力最高。與進(jìn)口廠家不同，該樣品矯頑力的主要影響因素是溫度效應(yīng)，930 ℃下處理的矯頑力小于860 ℃處理，差距超過(guò)20 A/m。

國(guó)產(chǎn)A廠家：真空爐930 ℃處理矯頑力最低，氫氣爐860 ℃處理矯頑力最高。但是4種工藝處理后矯頑力的區(qū)別比進(jìn)口C廠家和國(guó)產(chǎn)B廠家小。

綜合以上數(shù)據(jù)可知，在分別使用3個(gè)廠家的純鐵材料最適合工藝的情況下，矯頑力最低的是進(jìn)口C廠家的材料，與最大磁導(dǎo)率同樣是進(jìn)口C廠家最高的情況相吻合。

將圖2～圖4數(shù)據(jù)匯總，同時(shí)增加國(guó)產(chǎn)A廠、進(jìn)口C廠數(shù)據(jù)。純鐵性能與工藝關(guān)系如表1所示。

由表1可知，如將材料的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率處理到最大的相同工藝，是氫氣熱處理工藝。由于氫氣對(duì)碳有還原作用，而純鐵中的碳含量對(duì)起始段的磁導(dǎo)率影響極大，且進(jìn)口廠家和國(guó)產(chǎn)廠家處理達(dá)到最佳磁導(dǎo)率的溫度并不相同。3個(gè)廠家將矯頑力和磁飽和強(qiáng)度處理到最好的工藝則有較大區(qū)別，如國(guó)產(chǎn)A廠家用真空處理效果更好，進(jìn)口C廠家則是采用氫氣處理最佳。推測(cè)不同工藝處理下磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力的區(qū)別與其材料的組成有較大關(guān)系，由于分析的廠家材料數(shù)量較少，不能判斷該現(xiàn)象與純鐵含鋁量之間是否存在必然關(guān)聯(lián)。

綜上，對(duì)于目前各種純鐵熱處理的研究，材料的差異性導(dǎo)致研究成果存在一定的局限性，針對(duì)不同廠家的材料需要不同的熱處理工藝，且沒(méi)有一個(gè)材料或工藝能使磁感應(yīng)強(qiáng)度在各磁場(chǎng)強(qiáng)度下均保持最大。因此，針對(duì)繼電器本體討論，需要結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用情況，選擇相應(yīng)的材料及熱處理工藝，這也是繼電器廠家熱處理工藝不同的原因。

3 與繼電器相關(guān)性能的研究

3.1 繼電器仿真分析

繼電器雖然種類較多，但磁路部分的導(dǎo)磁部分基本都由銜鐵、軛鐵、鐵心等純鐵零部件組成，結(jié)構(gòu)相似。以某小型航天電磁繼電器為例，該繼電器屬于靈敏型繼電器，由繼電器工作原理可知，當(dāng)繼電器加電時(shí)，產(chǎn)生的電磁吸力應(yīng)大于產(chǎn)品內(nèi)部的機(jī)械反力，此時(shí)繼電器方可正常動(dòng)作。在銜鐵向軛鐵運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，電磁吸力隨銜鐵運(yùn)動(dòng)距離的增加而不斷增大，而機(jī)械反力也在增大，因此全過(guò)程中電磁吸力均應(yīng)大于機(jī)械反力，否則產(chǎn)品會(huì)卡滯不動(dòng)作［5］。除結(jié)構(gòu)因素外，繼電器的電磁吸力與純鐵材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度也直接相關(guān)。繼電器磁路部分加電后，各部位會(huì)根據(jù)磁路的分布處在大小不一的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，銜鐵與軛鐵在吸合位置磁場(chǎng)強(qiáng)度下得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，則電磁吸力越大，因此仿真目的在于求得吸合位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后選擇該磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁導(dǎo)率最高的材料。

已知該型號(hào)繼電器額定工作電壓為DC 28 V，動(dòng)作電壓為DC 12 V。以銜鐵吸合過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行程為橫坐標(biāo)，繼電器吸反力曲線如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)給繼電器施加12 V動(dòng)作電壓時(shí)，繼電器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁吸力應(yīng)一直大于機(jī)械反力，由于繼電器的機(jī)械反力并不是均勻增大，因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然存在某個(gè)吸力與反力最容易相交的區(qū)域。故應(yīng)對(duì)吸反力曲線最容易相交的區(qū)域產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，即可將該點(diǎn)視為繼電器的工作點(diǎn)。

由圖5可知，繼電器在銜鐵與軛鐵間隙約為0.18 mm時(shí)，吸反力最容易相交，故通過(guò)仿真計(jì)算繼電器在該點(diǎn)間隙時(shí)磁路部分各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。吸合點(diǎn)仿真磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖示意如圖6所示。由圖6可知，磁路系統(tǒng)上銜鐵與軛鐵吸合部分的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為197 A/m。

將該197 A/m的工作點(diǎn)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)與圖1的某純鐵材料磁導(dǎo)率測(cè)試曲線對(duì)比可知，雖然該繼電器屬于靈敏型繼電器，但工作點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)不僅不在初始磁導(dǎo)率附近，甚至已遠(yuǎn)大于最大磁導(dǎo)率所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此文獻(xiàn)中提及的靈敏繼電器應(yīng)按初始磁導(dǎo)率值來(lái)選擇純鐵材料的結(jié)論是不合適的。由圖2、圖3可知，該磁路中用于產(chǎn)生電磁吸力的軛鐵與銜鐵應(yīng)選擇進(jìn)口純鐵材料，并選用氫氣爐工藝處理，磁路中的鐵心零件不參與轉(zhuǎn)動(dòng)吸合，同時(shí)由于該部件所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，可以使用國(guó)產(chǎn)A廠家的純鐵材料。

3.2 材料選擇分析

金屬軟磁材料有多種類型，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求對(duì)金屬軟磁材料進(jìn)行了長(zhǎng)期研究［6］。4種金屬軟磁材料性能對(duì)比如表2所示。

由表2可知，合金系列中1J76的最大磁導(dǎo)率接近純鐵的9倍，矯頑力也很低，但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，目前的繼電器廠家，即使是靈敏型繼電器也未選用該材料。由圖5可知，該繼電器整個(gè)磁路存在部分磁飽和點(diǎn)，鐵心、銜鐵、軛鐵部分區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度已趨于1.8 T，而1J76材料的磁飽和強(qiáng)度僅約0.75 T，遠(yuǎn)低于純鐵材料。根據(jù)軟磁材料磁導(dǎo)率的定義，磁導(dǎo)率倒數(shù)即為磁阻，由于磁通路線為磁路中磁阻最低的線路，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度使磁路中的局部位置達(dá)到磁飽和后，該處磁阻達(dá)到最大值，導(dǎo)致磁路整體磁通無(wú)法再增大，從而成為瓶頸。因此若選用1J76材料，反而不利于繼電器磁路部分的整體性能。

鐵鈷合金的磁飽和強(qiáng)度較大，但矯頑力和最大磁導(dǎo)率均不如純鐵，且加工性能差、成本非常高，也不適合繼電器使用。表2中未列出的其他軟磁材料也有類似的問(wèn)題，不再贅述。對(duì)于繼電器來(lái)說(shuō)，若單一考慮最大限度地利用磁性能，可以將磁路的磁飽和區(qū)域選用磁飽和強(qiáng)度較高的材料，吸合區(qū)域則采用該磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁導(dǎo)率較大的材料，但對(duì)于繼電器的加工性和成本來(lái)說(shuō)極其不合算，因此對(duì)于繼電器來(lái)說(shuō)，選用最大磁導(dǎo)率、磁飽和強(qiáng)度且加工性能均較為優(yōu)秀的純鐵材料，是相對(duì)較好的選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)3種不同純鐵材料采用不同熱處理工藝處理得到的磁性能，結(jié)合繼電器的使用情況分析，可得出以下結(jié)論：

（1） 文獻(xiàn)中提出的靈敏型繼電器主要考慮初始磁導(dǎo)率，功率繼電器主要考慮最大磁導(dǎo)率的說(shuō)法并不合理，應(yīng)針對(duì)具體產(chǎn)品進(jìn)行具體分析。

（2） 純鐵材料的磁性能與材料和工藝處理均有關(guān)聯(lián)，且沒(méi)有通用性，故針對(duì)某一特定純鐵材料得出的最優(yōu)熱處理工藝有明顯的局限性。

（3） 進(jìn)口純鐵在磁場(chǎng)強(qiáng)度lt;300 A/m時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比國(guó)產(chǎn)DT4C電工純鐵有較大優(yōu)勢(shì)，但隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，國(guó)產(chǎn)純鐵與進(jìn)口純鐵的差距逐漸變小直到反超，因此若繼電器工作點(diǎn)使用的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，可選擇進(jìn)口純鐵，反之則可以選用國(guó)產(chǎn)純鐵。

（4） 純鐵材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線會(huì)隨工藝不同發(fā)生變化，且隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的趨勢(shì)并不相同，因此應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品使用情況來(lái)選擇合理的熱處理工藝。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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