目前，對電磁控制元件的特性要求越來越高，除了要求提高磁性材料的功能，還要求進一步優化磁回路整體設計和制造工藝。本文對純鐵系軟磁材料主要特性的影響因素和用電磁解析方法驗證提高電磁控制元件特性的實例進行簡要介紹。
電子控制元件是汽車等領域提高燃料效率和安全性核心技術中不可或缺的元件，其需求量不斷增加。這些電子控制元件多數用作電磁控制元件。近年來以混合動力車和電動汽車為代表的汽車電動化發展迅速。電磁控制元件的精確控制和省電化是應對電動汽車發展趨勢需要解決的重要課題。
1軟磁材料主要特性的影響因素
軟磁材料的磁學特性在很大程度上依存于材料的磁矩大小和磁化過程中疇壁移動阻力。磁矩大小和疇壁移動阻力與材料的化學成分和微觀組織有復合的相關關系。
1.1化學成分的影響
具有強磁性磁矩的主要組織是體心立方結構的鐵素體相。雖然斜方晶系結構的滲碳體也是強磁體，但其磁矩遠小于鐵素體，并且對磁性還有不利影響。所以材料的C含量對軟磁材料的磁學特性有顯著影響。
從圖1可以看出，隨著C含量的減少、鐵素體相的增加，磁感應強度升高、矯頑力下降，材料的磁學特性得到改善。值得注意的是，當C含量超過0.02%時，材料的磁學特性急劇下降，說明在使用一般材料（S10C、SUM系易切削鋼）做鐵芯時，即使材料的化學成分在標準范圍內變化，材料的磁學特性也會有很大不同，導致電磁元件特性發生很大波動。
JIS SUY（C2504）將鐵素體最大C固溶量（7230、0.03%）作為C含量的上限值。但在室溫下鐵素體最大C固溶量下降，因此C含量減少為0.01%為好。神戶制鋼開發的ELCH2系列軟磁材料為了提高材料的磁學特性，將材料的C含量規定為小于0.01%。并且為提高部件加工性，在對磁性沒有影響的范圍內添加適量的Mn、Si（如表1），形成了強調磁特性的基本鋼ELCH2和改善切削性鋼HLCH2S兩種軟磁材料。
1.2 微觀組織的影響
影響軟磁材料特性的另一個重要因素是疇壁移動阻力。當外部磁場發生變化時，疇壁在材料中移動。磁能低的晶界和析出物是阻礙疇壁移動的障礙物，因此晶粒粗大化，減少晶界是提高磁學特性的有效方法。所以鍛造用軟磁材料在鍛造后，一般要經磁場退火使晶粒粗化。各種材料的磁學特性如表2所示。純鐵系磁性材料由于徹底去除了磁性不純物，具有高導磁率、高磁感應強度和低矯頑力。因此，純鐵系磁性材料用于電磁控制部件可實現部件小型化和省電化。但是材料高純度化會導致電阻率下降，所以，純鐵系磁性材料在用于高勵磁頻率時，應考慮趨膚效應和渦流損耗等問題。
1.3應變的影響
對磁性材料進行拔絲或鍛造時，會將位錯導入材料中，在位錯周圍應變場的作用下，材料的磁矩發生混亂，引起材料磁學特性下降。此外，位錯起著疇壁障礙物的作用，也導致材料磁學特性的下降。
圖2是拔絲應變與磁感應強度的關系。隨著應變量的增加，各鋼的磁感應強度都下降，但開發鋼ELCH2S在應變ε=0.43的情況下，磁感應強度仍高于未加工的S10C。在未磁場退火的鍛造狀態下使用本開發鋼，可以提高電磁控制元件的功能。
磁場退火材料在退火再結晶過程中消除了加工應變對磁性的不利影響，并且由于晶粒長大，減少了晶界面積，降低了疇壁移動阻力，所以磁學特性明顯改善。對于單相鐵素體純鐵系磁性材料，這種磁場退火效果十分顯著。
與磁感應強度的變化一樣，隨著應變量的增加，矯頑力升高，軟磁材料磁性變差。但磁場退火可大幅度降低矯頑力，顯著改善軟磁材料的磁性。
2加工條件最佳化
2.1冷鍛性
由于考慮到冷鍛發熱，在室溫至300℃范圍內，對變形抗力進行測定。在室溫至200℃范圍內，開發鋼ELCH2的變形抗力小于S10C球化退火鋼，這對于提高模具壽命是有利的。S10C球化退火鋼的變形抗力隨變形溫度升高而下降，但開發鋼在預計的冷鍛發熱溫度200℃以上時，變形抗力有一定升高。這是鋼中少量殘余固溶C、固溶N引起的動態應變時效作用的結果。因此對于冷鍛發熱溫度升高較大的大型部件和高變形率冷鍛部件，應考慮時效的影響。
在冷鍛工藝設計時應考慮鍛造工藝對磁學特性的影響。因此在設計冷鍛工藝時，應使磁力線集中的磁回路處等重要磁特性部位的晶粒最大化，并減小晶粒大小的波動。
2.2 熱處理條件
退火時的晶粒長大與退火溫度和退火時間有關，但退火溫度的影響更大一些。在退火時間相同的情況下，退火溫度越高，晶粒越大，越可以獲得磁性優良的組織。但應注意的是，開發鋼的Ac3點約為910℃，所以要防止過加熱。當退火溫度超過910℃時，鐵素體轉變為奧氏體，在隨后的冷卻過程中生成鐵素體相，會發生組織微細化。所以磁場退火應在單相鐵素體溫度范圍內進行。考慮到加熱爐的溫度波動，工業生產上采用的ELCH2退火溫度一般是850℃左右。
磁場退火的冷卻條件對磁學特性也有影響。當試樣緩冷到大于600℃后急冷時的矯頑力比緩冷到室溫后急冷時的矯頑力大5%。原因是急冷開始溫度較低時，熱應變的影響較小。此外，緩冷到600℃左右時，對磁性有害的固溶C、N析出為釘扎疇壁力小的粗大碳氮化物，減輕了C、N的不利影響。因此，從部件批量生產和降低制造成本的角度來看，應該是加熱保溫后迅速出爐快冷。但對要求高磁性的材料進行磁場退火時，加熱保溫后緩冷到400℃左右為好。
2.3 切削加工性
純鐵系材料延性好冷鍛性優良，但切削加工性差。神戶制鋼對影響純鐵系材料切削加工性的因素進行了研究，開發出改善切削性的純鐵系軟磁材料ELCH2S。ELCH2S鋼中彌散析出的MnS可顯著改善切屑性能。
3純鐵系軟磁材料ELCH2系列產品的應用
神戶制鋼開發的純鐵系軟磁材料ELCH2系列產品具有磁感應強度高、磁滯小的特點，使電磁元件實現強電磁力和高精度動作。汽車自動變速油壓控制用直螺線管（比例電磁閥）等元件要求小型化和高精度控制功能。目前，ELCH2系列產品已經大量用于比例電磁閥等控制元件。用電磁場解析方法對ELCH2應用效果進行定量解析結論如下。
3.1電磁元件的特性解析
對電磁元件進行特性解析使用的解析對象是直螺線管。本解析的條件是，直螺線管尺寸：Φ34mm×57mm、線圈匝數：600、勵磁電流：0～2A、滑閥行程：1.5mm。對使用ELCH2和S10C兩種磁性材料的直螺線管進行解析。
3.2電磁力增大（部件小型輕量化）
電磁力隨勵磁電流的增加而緩慢增大，從勵磁電流0.5A開始，電磁力與勵磁電流成正比例關系。勵磁電流大于0.5A以后，不同鋼種的電磁力大小不同，ELCH2的電磁力大于S10C。勵磁電流為1A時，電磁力增大10%、勵磁電流為2A時，電磁力增大14%。
從直螺線管磁感應強度分布的解析分析表明，在保持電磁力不變的情況下，直螺線管的徑向尺度縮小5%，鐵芯材料用量減少10%，使部件小型輕量化。
3.3 提高部件動作精度
對直螺線管等電磁元件的要求，除了大電磁力，還有動作精度高和控制性良好。油壓裝置的油壓和油量是通過電磁閥幾十個微米的位置變化來控制的。因此要求能夠對直螺線管可動鐵心進行精確控制。
直螺線管可動鐵心動作精度不良的原因是磁性材料的磁滯現象。使用磁滯大的材料時，即使勵磁電流是同一個值，電磁力大小也會產生差異，導致可動鐵芯動作精度下降。如前所述，ELCH2是矯頑力小、磁滯小的磁性材料，可以提高直螺線管的動作精度。
3.4 ELCH2在各種電磁元件的應用
ELCH2除了用于直螺線管，還可用于電磁制動器、電磁離合器、繼電器、交流發電機中的純鐵系軟磁材料，其解析方法得到的預期效果列于表3。
