Istnieje kilka rodzajów miękkich materiałów magnetycznych.
Żelazo i stale niskowęglowe
Żelazo i stale niskowęglowe mogą być najpopularniejszymi i najtańszymi materiałami o miękkim magnetyzmie. Mają dość wysoką wartość BS ~2,15 T, która jest gorsza tylko od drogich stopów Fe-Co. Jednak ich rezystywność jest raczej niska, co ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach dynamicznych. Żelazo i stale niskowęglowe są zwykle używane do zastosowań statycznych/niskoczęstotliwościowych, takich jak rdzeń elektromagnesu, przekaźniki i niektóre silniki małej mocy, dla których koszt materiałów jest głównym problemem.
Stopy żelaza i krzemu
Dodatek kilku krzemu do żelaza znacznie zwiększy jego rezystywność, dlatego jest bardzo korzystny w hamowaniu strat prądu wirowego. Pomimo nieznacznego spadku namagnesowania nasycenia i temperatury Curie, stopy Fe-Si znajdują szerokie zastosowanie w maszynach elektrycznych pracujących w zakresie częstotliwości od 50 Hz do kilkuset Hz. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć straty prądu wirowego, stopy Fe-Si są często walcowane do postaci cienkich pasków. Grubość najpopularniejszego stopu Fe-Si jest równa lub mniejsza niż 0,35 mm. W zależności od warunków walcowania i obróbki cieplnej stop Fe-Si można podzielić na zorientowany na ziarno (GO) i nieorientowany (NO). GO Fe-Si stosuje się w transformatorach, natomiast NO Fe-Si stosuje się w silnikach elektrycznych.
Stopy żelaza i niklu
Nikiel można dodawać do żelaza w celu wytworzenia jednolitych roztworów stałych o szerokim zakresie składu od 35% wag. % do 80 wag. % Ni. Stopy o składzie zbliżonym do Fe20Ni80 nazwano Permalloy (obecnie ludzie nazywają Permalloy wszystkimi stopami żelaza i niklu o zawartości niklu wyższej niż 35% wag.). Zwykle dodaje się niewielką zawartość innych pierwiastków, takich jak Mo, Cu i Cr, aby poprawić właściwości magnetyczne permalloju. Przetworzony poprzez delikatne dostosowanie składu i obróbkę cieplną, Permalloj może być jednym z najmiększych materiałów magnetycznych na świecie, którego przepuszczalność może sięgać nawet 1 200 000. Jedną z wad permallojów jest ich namagnesowanie w stanie nasycenia, które wynosi tylko około 0,8 T, czyli jest znacznie niższe niż w przypadku stopów żelaza i Fe-Si. Wraz ze spadkiem zawartości niklu, najpierw wzrośnie BS, osiągając maksimum 1,6 T przy zawartości niklu około 48% wag. %, jednakże przepuszczalność nie będzie tak dobra, jak w przypadku stopów o dużej zawartości niklu. Stop żelaza i niklu jest najbardziej wszechstronnym stopem magnetycznym, jego właściwości magnetyczne można regulować poprzez dostosowanie składu, wyżarzanie magnetyczne i walcowanie mechaniczne itp. Stop żelaza i niklu charakteryzuje się również bardzo dobrą odkształcalnością, którą można walcować do grubości nawet 20 mikrony. Dzięki temu stopy niklowo-żelazowe znajdują szerokie zastosowanie, takie jak ekranowanie pola magnetycznego, przerywacze zwarć doziemnych, czujniki magnetyczne, głowice rejestrujące do taśm magnetycznych, elektronika mocy itp.
Stopy żelaza i kobaltu
Dodanie kobaltu do żelaza zwiększy zarówno temperaturę Curie, jak i BS. Dla zawartości kobaltu w zakresie od 33% wag. do 50% wag. BS może wynosić nawet 2,4T. Chociaż nie są tak miękkie jak stop żelazowo-niklowy, stopy żelazowo-kobaltowe wykazują najwyższą wartość BS wśród wszystkich innych stopów magnetycznych. Aby zwiększyć formowalność, do stopu Fe50Co50 dodaje się 2% wag. wanadu, dzięki czemu można go rozwałkować do grubości zaledwie 50 mikronów. Dodanie wanadu może również zwiększyć rezystywność stopu żelazowo-kobaltowego. Ze względu na najwyższą BS stopy żelazowo-kobaltowe są niezbędne w zastosowaniach, w których wymagany jest wysoki stosunek mocy do masy, takich jak silniki i transformatory stosowane w urządzeniach kosmicznych.
Stopy amorficzne i nanokrystaliczne
Stopy amorficzne, zwane także często szkłami metalicznymi, można wytwarzać poprzez szybkie krzepnięcie. W stopach amorficznych nie ma uporządkowania dalekiego zasięgu, dlatego rezystywność jest zwykle wysoka i nie ma anizotropii magnetokrystalicznej. Ponadto amorficzne wstęgi o grubości od około 20 do 30 mikronów można łatwo wytworzyć metodą odlewania z przepływem planarnym. Wszystkie te cechy sprawiają, że stopy amorficzne są doskonałymi kandydatami na miękkie magnesy. Zgodnie ze składem większość dostępnych na rynku amorficznych magnesów miękkich można sklasyfikować jako oparte na Fe, Co i (Fe, Ni). W przypadku tych trzech typów łączna zawartość Fe, Co i Ni wynosi około 75-90% wag., pozostałością są metaloidy i pierwiastki tworzące szkło, takie jak Si, B, P, C i Zr, Nb, Mo itp. Wśród tych typów żelazo na bazie Fe ma najwyższy BS wynoszący około 1,6 T i najniższy koszt. Utrata żelaza w amorficznym stopie na bazie Fe wynosi tylko jedną trzecią strat w przypadku stali Fe-Si. Jeśli stal Fe-Si w transformatorach mocy można zastąpić amorficznym stopem na bazie Fe, można zaoszczędzić ogromną ilość energii elektrycznej, ale koszt materiałów w przypadku tego ostatniego jest wyższy. Stopy amorficzne na bazie węgla mają zwykle wartość BS mniejszą niż 0,8 T, ale znacznie wyższą przepuszczalność i bliską zera wartość magnetostrykcji, która jest porównywalna z najmiększym permallojem i może działać jeszcze lepiej przy wyższych częstotliwościach ze względu na wyższą rezystywność. Stopy amorficzne na bazie (Fe, Ni) charakteryzują się średnimi właściwościami magnetycznymi w porównaniu z dwoma pozostałymi.
Stan amorficzny jest stanem metastabilnym. Po podgrzaniu powyżej temperatury krytycznej, zarodkowanie i wzrost mikrokryształów zachodzą szybko. W przypadku konwencjonalnych amorficznych miękkich stopów magnetycznych, podczas krystalizacji, rozmiar mikrokryształów wzrośnie do kilkuset nanometrów w bardzo krótkim czasie i poważnie zdegeneruje miękkie właściwości magnetyczne. Niemniej jednak ludzie odkryli, że przez dodanie pewnej ilości Nb i Cu do amorficznego stopu na bazie Fe, proces krystalizacji może być kontrolowany i można uzyskać równomierny rozkład nanokryształów o rozmiarze około 10 nm w matrycy amorficznej. Właściwości magnetyczne takiego nanokrystalicznego stopu na bazie Fe są nawet bardziej miękkie niż odpowiadającego mu stopu amorficznego, tj. wyższa przenikalność i niższa koercja, chociaż BS jest również niższy (~1,2 T). Źródłem doskonałych miękkich właściwości magnetycznych stopów nanokrystalicznych na bazie Fe jest to, że zarówno wartość anizotropii magnetokrystalicznej, jak i magnetostrykcji można dostroić do wartości bliskiej zeru. Permaloy i stopy amorficzne na bazie Co mogą również mieć bliską zeru wartość anizotropii magnetokrystalicznej i magnetostrykcji, ale BS stopów nanokrystalicznych na bazie Fe jest znacznie wyższy. Dlatego stopy nanokrystaliczne mogą być jednym z najbardziej obiecujących miękkich materiałów magnetycznych. Są one szeroko stosowane w ładowarkach bezprzewodowych, induktorach wysokiej częstotliwości, czujnikach magnetycznych, ekranowaniu elektromagnetycznym, wyłącznikach różnicowoprądowych i tak dalej.
Miękkie kompozyty magnetyczne
Jak wspomniano wcześniej, grubość miękkich materiałów magnetycznych odgrywa ważną rolę w ograniczaniu strat prądów wirowych, dlatego też miękkie stopy magnetyczne do zastosowań dynamicznych powinny być wykonywane w postaci cienkiej laminacji. Jeśli rozbijemy pozostałe dwa wymiary miękkiego paska magnetycznego, czyli zastosujemy miękkie stopy magnetyczne w postaci proszków, to straty prądów wirowych można jeszcze bardziej zmniejszyć, a wykonane z nich elementy można stosować przy znacznie wyższych częstotliwości. Aby zrealizować takie wykorzystanie, najpierw przygotowuje się proszki stopowe (najczęściej metodami atomizacji), następnie pokrywa się je warstwą izolacyjną, po czym proszki miesza się z niewielką ilością smaru i sprasowuje z intensywną ciśnienie 600-800 MPa do ostatecznego kształtu. Miękkie produkty magnetyczne wytwarzane w takich procesach nazywane są miękkimi kompozytami magnetycznymi (SMC) lub rdzeniami proszkowymi. Inną zaletą SMC jest to, że można z nich wytwarzać różne specjalnie ukształtowane rdzenie, których prawie nie da się wykonać tradycyjnymi metodami układania warstwowego, co jest korzystne dla nowatorskiego projektowania urządzeń elektromagnetycznych. Główną wadą SMC jest to, że ich przepuszczalność jest stosunkowo niska. Obecnie najpopularniejsze SMC są wytwarzane z proszków Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, stopów amorficznych i nanokrystalicznych itp.
Ferryty miękkie
Wszystkie wymienione powyżej miękkie materiały magnetyczne są metalami, dlatego nie można uniknąć efektu prądów wirowych. Miękkie ferryty wyróżniają się tym, że są związkami jonowymi i mają oporność o kilka rzędów wielkości wyższą niż metaliczne materiały o miękkim magnesie. Dlatego w zastosowaniach o częstotliwości do 1 MHz najlepszym wyborem pod względem strat energii są miękkie ferryty. Główną wadą miękkich ferrytów jest to, że BS jest stosunkowo niski. Dwa rodzaje najpopularniejszych miękkich ferrytów to ferryty Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) i ferryty Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Ferryty Mn-Zn są powszechnie stosowane poniżej 1 MHz, podczas gdy ferryty Ni-Zn można stosować przy znacznie wyższych częstotliwościach, ale BS i przepuszczalność dla tych ostatnich są niższe.
Podsumowując, miękkie materiały magnetyczne są wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne, co sprawia, że są niezbędne w wielu zastosowaniach, zwłaszcza w obszarze inżynierii elektrycznej, takich jak transformatory, silniki elektryczne, ładowarki bezprzewodowe, urządzenia elektroniczne itp. W przypadku dobrego miękkiego magnesu gęstość strumienia nasycenia, przenikalność, rezystywność i temperatura Curie powinny być jak najwyższe, podczas gdy koercja i współczynnik magnetostrykcji powinny być jak najniższe. Nie ma jednego rodzaju miękkich materiałów magnetycznych, który mógłby pokonać wszystkie inne pod względem wszystkich aspektów wydajności. Aby wybrać najbardziej odpowiedni materiał, należy dokonać kompromisu między kosztem, stratą żelaza, gęstością strumienia nasycenia i przenikalnością.
Żelazo i stale niskowęglowe mają doskonałą gęstość strumienia nasycenia, ale ich oporność jest niska, co ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach dynamicznych. Do żelaza można dodawać różne pierwiastki stopowe, aby zoptymalizować jego właściwości magnetyczne pod pewnymi względami. Stopy Fe-Si charakteryzują się znacznie wyższą rezystywnością niż czyste żelazo i stosunkowo dużą gęstością strumienia nasycenia, są szeroko stosowane w transformatorach i silnikach elektrycznych pracujących przy częstotliwości 50/60 Hz i zajmują największą część całego rynku miękkich materiałów magnetycznych. Amorficzne stopy na bazie Fe radzą sobie znacznie lepiej niż stopy Fe-Si pod względem strat żelaza i mogą pracować przy wyższych częstotliwościach, ale koszt jest również wyższy. Stopy Fe-Co charakteryzują się największą wartością gęstości strumienia nasycenia. Przy tej samej mocy wyjściowej/momencie obrotowym maszyny elektryczne wykonane ze stopów Fe-Co mogą mieć mniejsze rozmiary i mniejszą masę. Stopy Fe-Ni, stopy amorficzne na bazie Co i stopy nanokrystaliczne na bazie Fe są najmiększymi materiałami magnetycznymi, ponieważ zarówno wartości anizotropii magnetokrystalicznej, jak i współczynnik magnetostrykcji dla nich można jednocześnie dostroić do wartości bliskich zeru. Wśród nich stopy nanokrystaliczne na bazie Fe mają najwyższą gęstość strumienia nasycenia i są jednym z najbardziej obiecujących materiałów o miękkim magnesie. SMC lub rdzenie proszkowe będą działać lepiej przy wyższych częstotliwościach niż inne metaliczne materiały magnetyczne w postaci cienkiego paska, ponieważ cząstki są oddzielone warstwami izolacyjnymi, dzięki czemu można znacznie zahamować efekt prądów wirowych. Wadą SMC jest niska przepuszczalność i wysoka strata histerezy. Miękkie ferryty mają oporność o kilka rzędów wielkości wyższą niż metaliczne materiały magnetyczne, w związku z czym są obecnie najlepszym wyborem dla częstotliwości roboczych bliskich lub większych niż 1 MHz, ale ich gęstość strumienia nasycenia jest niska. Niektórzy specjaliści uważają, że w niektórych zastosowaniach miękkie ferryty można zastąpić SMC w celu zmniejszenia rozmiaru i masy urządzeń o wysokiej częstotliwości, jeśli uda się ulepszyć technologię przetwarzania SMC.
