Hiperco 50软磁合金带简化方法

技术指南

对于细心的设计者来说，选择最适合应用且价格合适的软磁合金并不容易。必须特别小心地找到必要的属性和特性，不要过度指定。

许多设计师发现选择过程令人困惑和乏味。做出决策所需的信息通常不在一个地方。即使有标准，比较几种候选合金仍然可能是一个挑战。软磁合金是易于磁化的材料，因此表现出高磁导率，并且同样容易消磁。一般来说，高磁导率允许设计更小、更高效的组件。

有几个因素会影响软磁合金的选择。一个外部因素是耐腐蚀性，这对于暴露在天气或其他腐蚀性环境中的设备至关重要。

另一个是电阻率，这是衡量电流通过合金的难易程度的指标。电阻率越高，交变磁场应用中的涡流损耗就越低。涡流损耗越低，能量浪费就越少。应避免过大的涡流损耗，例如，它们会使电机过热。

选择矩阵

然而，需要考虑的最重要的磁性标准是称为灵敏度（磁导率）和强度（磁通密度）的相对性能特征，以及所考虑的合金的相应成本。已经开发了一个特殊的矩阵（图 1）来比较这些关键值。

该矩阵可以作为设计人员为特定应用选择探索哪些合金组的初始指南。这些组包括目前可用的镍铁合金、硅铁合金、铁基合金、铁钴合金和铁素体不锈钢。

所有合金组都根据其相对磁导率位于左列中，值从下到上增加。同样，相同的组根据它们的相对磁通量密度放置在第二列中。第三列试图根据长期经验，从最低到最高对合金成本进行关联。

渗透性

在图 2 中，根据每个合金族的近似磁导率范围对五个合金族进行定位。磁导率是磁感应输出 （B） 与产生感应的磁场强度输入 （H） 的比率。磁导率越高，磁性能越好。

该图表比较了每个系列中合金的相对磁导率。请注意，镍铁族具有最高的磁导率，远超其他合金。如果设计师确定要研究特定值，则此图表可用于选择合金。

铁素体不锈钢主要用于螺线管和喷油器，在五组合金中具有最低的磁导率。它们的相对磁导率（以及强度和成本）用颜色代码表示，与其他合金系列的颜色代码相同，如图 1 所示。

铬芯® 8 和铬芯® 8-FM 合金以及铬芯® 12 和铬芯® 12-FM 合金已用于磁性元件，其中需要优于纯铁、低碳钢和硅铁合金的耐腐蚀性，饱和感应性能略有下降。

高饱和特性是获得更大机械力的关键。高磁感应值允许设计出具有更大力和效率的机电设备。这些特性也为使零件更小提供了可能性。合金的应用 - 具有自由加工版本以增强部件制造 - 包括喷油器、继电器、燃油泵电机叠片、磁芯和螺线管。

铬芯® 13 和铬芯® 13-FM 合金以及铬芯® 18 合金已用于类似应用，通常比较低数量的铬芯合金具有更好的耐腐蚀性，以及良好的磁性能。所有 Chrome Core® 合金都旨在抵抗含有乙醇和甲醇的腐蚀性燃料以及与之相关的一些污染物。

430F 不锈钢具有不锈钢中最好的磁性和最低的剩余磁性。430FR 不锈钢，用于腐蚀性服务多年，还具有更好的耐磨性、更高的电阻率 （76 -ohm-cm） 和更高的硬度。

铁钴合金的磁导率略有提高，通常因其高磁饱和度或磁通密度而受到青睐。此属性使磁路可用的磁力量最大化。

该系列合金最常用于航空航天电机和发电机叠片、电磁铁、高性能变压器和磁浮轴承。

列出的所有五种铁钴合金都提供几乎相同的磁饱和度。Hiperco® 27 在铁钴系列中具有最高程度的延展性和韧性。Hiperco® 27 HS 具有更高的屈服强度，并经过专门配制，可锻造成所需的形状。

Hiperco® 50A 含钒，结合了高磁饱和度 （24 kilogauss）、高直流磁导率、低直流矫顽力（允许快速磁化和退磁）和低交流磁芯损耗。它表现出优于其他商用铁钴软磁合金的磁性。

Hiperco 50 的成分与 Hiperco 50A 相似，但添加了少量铌。这种添加提供了晶粒细化，使材料具有更高的机械强度，而磁性仅略有牺牲。

Hiperco® 50 HS 含有更多的铌，可提供更高的屈服强度，而芯损失仅适中。该牌号和 Hiperco 50 用于承受高速电机和发电机中遇到的高应力。

铁或电熨斗是低碳合金，比铁钴合金具有更高的磁导率。它们已用于真空设备的继电器、螺线管和磁铁，特别是直流磁场应用。

基本电熨斗通常经过电弧熔化，以提供良好的直流软磁性能。Electrical Iron-FM 为必须大批量生产的部件提供改进的可加工性。Consumet 电熨斗经过双重熔化，以减少孔隙率和内部缺陷。它已被用于制造电磁铁和真空设备的零件。

在低碳铁中添加硅可产生一系列硅铁合金，具有更高的磁导率。这些等级都比铁杆具有更高的硬度和电阻率。它们已被发现适用于交变磁场应用，例如继电器和螺线管。

硅芯铁 A 具有与电铁类似的磁性。但是，它的电阻率为 25

-ohm-cm，而电熨斗的电阻率为 13。硅芯铁 A-FM 是合金的自由加工变体，具有几乎相同的磁性。

硅芯铁 B 的电阻率为 40

欧姆厘米，已用于需要极低磁滞损耗、高磁导率、低剩余磁性和无磁老化的应用。还提供自由加工版本的 Silicon Core Iron B-FM。

硅芯铁 C 在 58

欧姆厘米处提供最大电阻率。它还具有最大的初始磁导率、最小的磁滞损耗、低剩余磁性和可忽略不计的磁老化。

镍铁合金具有迄今为止所有软磁合金中最高的磁导率。它们通常用于最挑剔的、通常是科学的应用，在这些应用中，零件错综复杂，并且经常是重量轻、空间有限和/或小型化是重要因素。

为了定义起见，这一大类合金主要根据其镍含量可分为三组：

第一组由标称含 30% 镍的合金组成。该组中的四种 Temperature Compensator 合金提供的磁导率随着温度的升高而以受控速率从预定水平降低。它们已用作稳压器、速度计、转速计和电能表中的分流材料。

第二组包括四种标称镍含量为 49% 的合金。高磁导率 49 在建议的热处理后具有高初始和最大磁导率，芯损耗低。它已用于变压器、电机、磁屏蔽、螺线管磁芯和其他控制设备。

这种合金的转子等级变化已用于电机叠片、继电器、屏蔽和旋转组件，例如磁性必须是非定向的旋转变压器和伺服同步器。相同合金的变压器等级经过特殊加工，可在平行于轧制方向的方向上以低磁化力产生更高的磁导率。该牌号主要用于变压器叠片和带状环形线圈。

Hy-Ra 49® 合金是一种经过特殊加工的合金，在建议的热处理后能够表现出方环磁行为。它经常用于磁放大器。

最高磁导率系列中的第三组合金由标称镍含量为 80% 的材料组成。HyMu 77 合金含有 77% 的镍，已用于某些磁屏蔽应用。它比镍含量较高的组中的其他合金具有更好的冷成型性。配套等级 HyMu 77 Alloy Plus 已成功用于 GFCI 磁芯。

HyMu 80 是一种无取向的 80% 镍铁钼合金，具有极高的初始磁导率和最大的磁导率以及最小的磁滞损耗。它主要用于变压器磁芯、磁屏蔽、接地故障断路器、带绕环形线圈和在极低磁场强度下运行的叠片。该合金可用于微型变压器和其他注重小尺寸和低重量的应用。

Hipernom® Alloy 具有与 HyMu 80 相同的分析，具有正确的回火，使用户能够执行各种冷成型操作，例如辊压成型、旋压和深冲。它以片材形式提供，主要用于磁屏蔽应用。

在大多数应用中，HyMu 80 Mark II 合金的磁导率与 HyMu 80 相似。它的成分允许在热处理中具有灵活性，这有时是有利的。Mark II 级已用于调制解调器变压器叠片、GFCI 磁芯、记录头叠片和磁带环形线圈。

HyMu 80 可以进行热处理，显示出非常高的初始磁导率和最大磁导率。它在低磁通密度下表现出最小的交流磁芯损耗。该合金通常以厚度小于 0.008 英寸（0.02 毫米）的条状形式生产。它通常用于带绕环形线圈和带头的层压。

HyMu 800 A 是配套产品，具有适合记录磁头层压的磁性，并提高了耐磨性。它旨在提供比通常的坡莫合金材料更长的头部寿命。

为了一目了然，图 3 显示了本文中讨论的所有合金，并进行了颜色编码以匹配它们在基本选择矩阵中的外观。每种合金或合金家族的最典型应用如左图所示。

磁通量密度

具有高磁通密度或强度的合金允许产生强磁场。这种特性也称为高饱和感应，使设计人员能够最大限度地施加在机电部件中的力。这种类型的合金已用于高性能电机和发电机。

为了便于比较，图 4 中的图表大致显示了从镍铁合金到铁钴合金的五个合金家族的磁通量密度是如何增加的。

虽然镍铁合金的磁导率排名第一（图 1），但它们的磁通量密度最小。因此，这些合金被认为首先适用于需要高磁导率和相当低磁通量密度的应用。它们适用于前面提到的该系列的所有应用。

在选择矩阵中向上移动，铁素体不锈钢的磁通量密度比镍铁合金高一些。然而，它们的强度仍然相对较低，因为这些等级的铬含量（8% 至 18%）往往会稀释铁的效果。

铬可以降低到 8%，就像 Chrome Core 8 和 Chrome Core 8-FM 合金一样，以获得更高的磁通量密度或饱和度。对于需要更高耐腐蚀性的应用，铬可以增加到 13% 或 18%，如铬芯 13 和铬芯 18 合金，饱和度会有所损失。铬芯 18-FM 合金比 430F 型和 430FR 型螺线管质量不锈钢具有更高的耐腐蚀性。

要为螺线管或喷油器等潜在应用选择最合适的铁素体不锈钢，材料指定者必须首先确定哪个特性 - 磁通量密度或耐腐蚀性 - 更重要，以及重要程度。

硅铁合金兼具高磁通密度和卓越的磁导率。将这些材料用于继电器和螺线管的工程师可以更高效地设计零件和组件，因为需要的功率输入更少。

与硅铁合金相比，这种铁具有良好的磁导率和更高的磁通密度，最常用于直流应用。它们最常见于继电器、螺线管和真空设备中。

对于最高的磁通密度，铁钴合金是无可争议的领导者。该系列的合金使发电机的设计者在单位重量内获得的电能比任何其他软磁合金都多。这可以转化为重量和尺寸的显著节省。

所有铁钴合金都具有高饱和磁通密度，可以快速轻松地达到。铁钴合金具有高饱和度，一直是飞机和其他发电机部件以及磁轴承等悬浮装置的首选。该系列的材料经常被指定用于关键的前沿应用。

成本

成本对设计人员来说始终很重要，但可能取决于许多变量。一个是镍和钴等原材料的当前价格。虽然在撰写本文时这两种合金元素的成本处于相对较低的水平，但众所周知，它们的成本会大幅而突然地波动。

所需的合金形式会影响成本。棒材产品的生产成本低于用于层压的带材。制作条带涉及更多的生产步骤和控制。

此外，还需要考虑著名的供求定律，该定律规定了每个人做生意的成本。

凭借对比较成本的工作知识，设计师可以选择最适合应用特性的合金，而不会过度指定。

总结

为产品应用选择合适的磁性合金并不一定令人生畏。设计师首先需要找到最能结合所需特性的候选合金，然后选择满足这些要求的最低成本合金。

为了节省前期材料成本，如果逆转该过程并选择一种可能起作用也可能不起作用的合金，可能会使工作面临风险，其潜在成本是初始合金投资的数倍。

还应注意的是，软磁合金是通过优质的熔炼实践和专业加工制成的，以实现最佳性能。这些合金的性能不仅取决于它们的制造方式，而且通常还取决于它们的使用知识。

因此，设计师咨询合金供应商并解释他/她的特殊需求可能是富有成效的。可以定制研磨加工以提供某些关键的磁性，并且可以调整化学成分以使某些合金更适合某些制造方法。