Existuje niekoľko druhov mäkkých magnetických materiálov.
Železo a nízkouhlíkové ocele
Železo a nízkouhlíkové ocele môžu byť najbežnejšími a najlacnejšími mäkkými magnetickými materiálmi. Majú pomerne vysokú hodnotu BS ~ 2,15 T, čo je len horšie ako drahé zliatiny Fe-Co. Ale ich odpory sú pomerne nízke, čo obmedzuje ich použitie v dynamických aplikáciách. Železo a nízkouhlíkové ocele sa zvyčajne používajú na statické/nízkofrekvenčné aplikácie, ako je jadro elektromagnetu, relé a niektoré motory s nízkym výkonom, pre ktoré sú hlavným problémom náklady na materiály.
Zliatiny železa a kremíka
Pridanie malého množstva kremíka k železu výrazne zvýši jeho merný odpor, a preto je veľmi prospešné na inhibíciu straty vírivých prúdov. Napriek miernemu poklesu saturačnej magnetizácie a Curieho teploty sú zliatiny Fe-Si široko používané v elektrických strojoch pracujúcich od 50 Hz do niekoľkých stoviek Hz. Na ďalšie zníženie strát vírivými prúdmi sa zliatiny Fe-Si často valcujú do tvaru tenkých pásikov. Hrúbka najbežnejšej zliatiny Fe-Si je rovná alebo menšia ako 0,35 mm. V závislosti od podmienok valcovania a tepelného spracovania môže byť zliatina Fe-Si klasifikovaná ako orientovaná na zrno (GO) a neorientovaná (NO). GO Fe-Si sa používa pre transformátory, zatiaľ čo NO Fe-Si sa používa pre elektromotory.
Zliatiny železa a niklu
Nikel môže byť pridaný k železu na vytvorenie jednotných pevných roztokov v širokom rozsahu zloženia 35 hmotn. % až 8 0 hmotn. % Ni. Zliatiny so zložením blízkym Fe20Ni80 boli pomenované ako Permalloy (dnes majú ľudia tendenciu nazývať všetky zliatiny železa a niklu s obsahom niklu vyšším ako 35 % hm. ako Permalloy). Menší obsah iných prvkov ako Mo, Cu a Cr sa zvyčajne pridáva na zlepšenie magnetických vlastností Permalloy. Permalloy, spracovaný jemnou úpravou zloženia a tepelným spracovaním, môže byť jedným z najjemnejších magnetických materiálov na svete, ktorého priepustnosť môže byť až 1 200 000. Jednou z nevýhod Permalloys je ich saturačná magnetizácia, ktorá je len asi 0,8 T, oveľa nižšia ako u železa a zliatin Fe-Si. S poklesom obsahu niklu sa bude najskôr zvyšovať BS, svoje maximá 1,6T dosiahne pri obsahu niklu okolo 48 hm. %, avšak priepustnosť nebude taká dobrá ako pri zliatinách s vysokým obsahom niklu. Zliatina železa a niklu je najuniverzálnejšia magnetická zliatina, jej magnetické vlastnosti sa dajú vyladiť úpravou zloženia, magnetickým žíhaním, mechanickým valcovaním atď. mikrónov. Výsledkom je, že zliatiny niklu a železa možno nájsť v širokých aplikáciách, ako je tienenie magnetického poľa, prerušovač zemného spojenia, magnetické senzory, záznamová hlava pre magnetické pásky, výkonová elektronika atď.
Zliatiny železa a kobaltu
Pridanie kobaltu do železa zvýši Curieho teplotu aj BS. Pre obsah kobaltu v rozsahu 33 hm. až 50 % hmotn. %, BS môže byť až 2,4T. Hoci nie sú také mäkké ako zliatina železa a niklu, zliatiny železa a kobaltu predstavujú najvyššiu hodnotu BS spomedzi všetkých ostatných magnetických zliatin. Na zvýšenie tvarovateľnosti sa pridávajú 2 hm. % vanádu sa pridáva do zliatiny Fe50Co50, aby sa dala zrolovať až na hrúbku 50 mikrónov. Pridanie vanádu môže tiež zvýšiť merný odpor zliatiny železa a kobaltu. Vďaka najvyššej BS sú zliatiny železa a kobaltu nevyhnutné pre aplikácie, kde je vysoký pomer výkonu a hmotnosti náročný, ako sú motory a transformátory používané v kozmických zariadeniach.
Amorfné a nanokryštalické zliatiny
Amorfné zliatiny, tiež často nazývané kovové sklá, sa môžu vyrábať rýchlym tuhnutím. V amorfných zliatinách neexistuje poradie atómov na veľké vzdialenosti, preto je merný odpor zvyčajne vysoký a nedochádza k magnetokryštalickej anizotropii. Okrem toho možno amorfné pásy s hrúbkou približne 20 až 30 mikrónov ľahko vyrábať odlievaním v rovine. Všetky tieto znaky zaručujú, že amorfné zliatiny sú vynikajúcimi kandidátmi na mäkké magnety. Podľa zloženia možno väčšinu komerčne dostupných amorfných mäkkých magnetov klasifikovať ako bázu Fe, Co-bázu a (Fe, Ni) báze. Pre tieto tri typy je celkový obsah Fe, Co a Ni asi 75-90 hm. %, remanentné sú metaloidy a sklotvorné prvky ako Si, B, P, C a Zr, Nb, Mo , atď. Spomedzi týchto typov má Fe na báze najvyššie BS približne 1,6 T a najnižšie náklady. Strata železa amorfnej zliatiny na báze Fe je len tretinová v porovnaní s Fe-Si oceľou. Ak je možné Fe-Si oceľ vo výkonových transformátoroch nahradiť amorfnou zliatinou na báze Fe, možno ušetriť obrovské množstvo elektrickej energie, ale náklady na materiál sú vyššie. Amorfné zliatiny na báze kobaltu majú zvyčajne BS nižšiu ako 0,8 T, ale oveľa vyššiu permeabilitu a takmer nulovú hodnotu magnetostrikcie, ktorá je porovnateľná s najjemnejšou permalloy a môže fungovať ešte lepšie pri vyšších frekvenciách vďaka jej vyššiemu odporu. Amorfné zliatiny na báze (Fe, Ni) vykazujú stredné magnetické vlastnosti v porovnaní s ostatnými dvoma.
Amorfný stav je metastabilný stav. Po zahriatí nad kritickú teplotu prebieha rýchlo nukleácia a rast mikrokryštálov. V prípade konvenčných amorfných mäkkých magnetických zliatin počas kryštalizácie veľkosť mikrokryštálov narastie vo veľmi krátkom čase až na niekoľko stoviek nanometrov a výrazne zdegeneruje mäkké magnetické vlastnosti. Napriek tomu ľudia zistili, že pridaním určitého množstva Nb a Cu do amorfnej zliatiny na báze Fe môže byť proces kryštalizácie pod kontrolou a možno dosiahnuť rovnomernú distribúciu nanokryštálu s veľkosťou okolo 10 nm v amorfnej matrici. Magnetické vlastnosti takejto nanokryštalickej zliatiny na báze Fe sú dokonca mäkšie ako zodpovedajúcej amorfnej zliatiny, tj vyššia permeabilita a nižšia koercivita, hoci BS je tiež nižšia (~1,2 T). Zdrojom vynikajúcich mäkkých magnetických vlastností pre nanokryštalické zliatiny na báze Fe je to, že hodnotu magnetokryštalickej anizotropie a magnetostrikcie možno vyladiť takmer na nulu. Amorfné zliatiny na báze permalloy a Co môžu mať tiež takmer nulovú hodnotu magnetokryštalickej anizotropie a magnetostrikcie, ale BS nanokryštalických zliatin na báze Fe je oveľa vyššia. Preto môžu byť nanokryštalické zliatiny jedným z najsľubnejších mäkkých magnetických materiálov. Sú široko používané v bezdrôtových nabíjačkách, vysokofrekvenčných induktoroch, magnetických senzoroch, elektromagnetickom tienení, prerušovačoch zemných porúch atď.
Mäkké magnetické kompozity
Ako už bolo spomenuté, hrúbka mäkkých magnetických materiálov hrá dôležitú úlohu pri znižovaní strát vírivými prúdmi, preto by sa mäkké magnetické zliatiny mali vyrábať vo forme tenkej laminácie pre dynamické použitie. Ak rozložíme ďalšie dva rozmery mäkkého magnetického prúžku, tj použijeme mäkké magnetické zliatiny vo forme prášku, straty vírivými prúdmi sa dajú ďalej znížiť a vyrobené komponenty sa dajú použiť pri oveľa vyšších frekvencie. Na realizáciu takéhoto využitia sa najskôr pripravia prášky zliatiny (vo väčšine prípadov atomizačnými metódami), častice sa potom potiahnu izolačnou vrstvou, prášky sa zmiešajú s malým množstvom lubrikantu a intenzívne sa stlačia. tlaku 600-800 MPa do konečného tvaru. Mäkké magnetické produkty vyrobené takýmito procesmi sa nazývajú mäkké magnetické kompozity (SMC) alebo práškové jadrá. Ďalšou výhodou SMC je, že z nich môžu byť vyrobené rôzne špeciálne tvarované jadrá, ktoré sa ťažko vyrábajú tradičnými metódami stohovania laminácie, čo je výhodné pre nový dizajn elektromagnetických zariadení. Hlavnou nevýhodou SMC je, že ich priepustnosť je relatívne nízka. V súčasnosti sú najbežnejšie SMC vyrobené z práškov Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorfných a nanokryštalických zliatin atď.
Mäkké ferity
Všetky vyššie uvedené mäkké magnetické materiály sú kovy, preto sa nedá vyhnúť efektu vírivých prúdov. Mäkké ferity sa vyznačujú tým, že sú to iónové zlúčeniny a majú merný odpor o niekoľko rádov vyšší ako merný odpor kovových mäkkých magnetických materiálov. Preto pre aplikácie s frekvenciou do 1 MHz sú mäkké ferity tou najlepšou voľbou vzhľadom na energetické straty. Hlavnou nevýhodou mäkkých feritov je relatívne nízky BS. Dva druhy najbežnejších mäkkých feritov sú ferity Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) a ferity Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn ferity sa bežne používajú pod 1 MHz, zatiaľ čo Ni-Zn ferity môžu byť použité pri oveľa vyšších frekvenciách, ale BS a permeabilita sú nižšie.
Na záver, mäkké magnetické materiály sú citlivé na vonkajšie magnetické polia, táto vlastnosť ich robí nevyhnutnými pre mnohé aplikácie, najmä v oblasti elektrotechniky, ako sú transformátory, elektromotory, bezdrôtové nabíjačky, výkonové elektronické zariadenia atď. Pre dobrý mäkký magnet jeho hustota saturačného toku, permeabilita, rezistivita a Curieova teplota by mali byť čo najvyššie, zatiaľ čo jeho koercivita a magnetostrikčný koeficient by mali byť čo najnižšie. Neexistuje jediný druh mäkkých magnetických materiálov, ktoré by porazili všetky ostatné vo všetkých aspektoch výkonu. Na výber najvhodnejšieho materiálu je potrebné urobiť kompromis medzi cenou, stratou železa, hustotou saturačného toku a priepustnosťou.
Železo a nízkouhlíkové ocele majú vynikajúcu hustotu saturačného toku, ale ich odpor je nízky, čo obmedzuje ich použitie na dynamické aplikácie. Do železa sa môžu pridávať rôzne legujúce prvky, aby sa v určitých aspektoch optimalizoval jeho magnetický výkon. Zliatiny Fe-Si majú oveľa vyšší odpor ako čisté železo a relatívne vysoké saturačné hustoty toku, sú široko používané pre transformátory a elektromotory prevádzkované pri 50/60 Hz a zaberajú najväčšiu časť celého trhu s mäkkými magnetickými materiálmi. Amorfné zliatiny na báze Fe fungujú oveľa lepšie ako zliatiny Fe-Si, pokiaľ ide o straty železa a môžu byť prevádzkované pri vyšších frekvenciách, ale náklady sú tiež vyššie. Zliatiny Fe-Co predstavujú najvyššiu hodnotu hustoty saturačného toku. S rovnakým výstupným výkonom/krútiacim momentom môžu mať elektrické stroje vyrobené zo zliatin Fe-Co menšie rozmery a menšiu hmotnosť. Zliatiny Fe-Ni, amorfné zliatiny na báze Co a nanokryštalické zliatiny na báze Fe sú najjemnejšími magnetickými materiálmi, pretože hodnoty magnetokryštalickej anizotropie a magnetostrikčného koeficientu pre ne možno súčasne vyladiť takmer na nulu. Spomedzi nich majú nanokryštalické zliatiny na báze Fe najvyššiu hustotu saturačného toku, sú jedným z najsľubnejších mäkkých magnetických materiálov. SMC alebo práškové jadrá budú fungovať lepšie pri vyšších frekvenciách ako iné kovové mäkké magnetické materiály vo forme tenkých pásikov, pretože častice sú oddelené izolačnými vrstvami, takže efekt vírivých prúdov môže byť značne inhibovaný. Nevýhody SMC sú nízka permeabilita a vysoká hysterézna strata. Mäkké ferity majú odpor o niekoľko rádov vyšší ako kovové mäkké magnetické materiály, v dôsledku čoho sú momentálne najlepšou voľbou pre prevádzkové frekvencie blízke alebo vyššie 1 MHz, ale ich hustoty saturačného toku sú nízke. Niektorí odborníci sa domnievajú, že v niektorých aplikáciách môžu byť mäkké ferity nahradené SMC, aby sa zmenšila veľkosť a hmotnosť vysokofrekvenčných zariadení, ak je možné zlepšiť technológiu spracovania pre SMC.
