Існує кілька видів магнітом'яких матеріалів.
Чавун і низьковуглецеві сталі
Залізо та низьковуглецева сталь можуть бути найпоширенішими та найдешевшими магнітом’якими матеріалами. Вони мають досить високе значення BS ~2,15 Тл, що поступається лише дорогим сплавам Fe-Co. Але їх питомий опір досить низький, що обмежує їх використання в динамічних додатках. Чавун і низьковуглецева сталь зазвичай використовуються для статичних/низькочастотних застосувань, таких як серцевина електромагнітів, реле та деякі двигуни малої потужності, для яких вартість матеріалів є основною проблемою.
Залізо-кремнієві сплави
Додавання невеликої кількості кремнію до заліза помітно збільшить його питомий опір, тому це дуже корисно для запобігання втрат на вихрові струми. Незважаючи на незначне зниження намагніченості насичення і температури Кюрі, сплави Fe-Si широко використовуються в електричних машинах, що працюють на частотах від 50 Гц до кількох сотень Гц. Щоб ще більше зменшити втрати на вихрові струми, сплави Fe-Si часто прокатують у формі тонких смуг. Товщина найпоширенішого сплаву Fe-Si дорівнює або менше 0,35 мм. Залежно від умов прокатки та термічної обробки сплав Fe-Si можна класифікувати як зернисто-орієнтований (GO) і неорієнтований (NO). GO Fe-Si використовується для трансформаторів, тоді як NO Fe-Si використовується для електродвигунів.
Залізонікелеві сплави
Нікель можна додавати до заліза для утворення однорідних твердих розчинів у широкому діапазоні складу 35 мас. % до 80 мас. % Ni. Сплави зі складом, близьким до Fe20Ni80, отримали назву пермалой (сьогодні пермаллоєм прийнято називати всі залізо-нікелеві сплави з вмістом нікелю вище 35 мас. %). Незначний вміст інших елементів, таких як Mo, Cu та Cr, зазвичай додається для покращення магнітних властивостей пермалою. Оброблений шляхом делікатного коригування складу та термічної обробки, пермалой може бути одним із найм’якших магнітних матеріалів у світі, проникність якого може досягати 1 200 000. Одним із недоліків пермаллоїв є їх намагніченість насичення, яка становить лише близько 0,8 Тл, що набагато нижче, ніж у заліза та сплавів Fe-Si. Зі зменшенням вмісту нікелю BS спочатку зросте, досягне своїх максимумів 1,6T при вмісті нікелю близько 48 мас. %, однак проникність не буде такою хорошою, як у сплавів з високим вмістом нікелю. Залізо-нікелевий сплав є найбільш універсальним магнітним сплавом, його магнітні властивості можна регулювати шляхом регулювання складу, магнітного відпалу та механічної прокатки тощо. Залізо-нікелевий сплав також має дуже хорошу здатність до формування, його можна розкачати до тонкості 20 мікрон. Як наслідок, сплави нікелю та заліза можна знайти в широкому застосуванні, наприклад, для екранування магнітного поля, переривача замикання на землю, магнітних датчиків, записуючої головки для магнітних стрічок, силової електроніки тощо.
Залізо-кобальтові сплави
Додавання кобальту до заліза підвищить як температуру Кюрі, так і BS. Для вмісту кобальту в межах 33 мас. % до 50 мас. %, BS може досягати 2,4T. Хоча залізо-кобальтові сплави не такі м’які, як залізо-нікелевий сплав, вони мають найвищий показник BS серед усіх інших магнітних сплавів. Для підвищення пластичності додають 2 мас. % ванадію додається до сплаву Fe50Co50, щоб його можна було розкачати до 50 мікрон. Додавання ванадію також може збільшити питомий опір залізо-кобальтового сплаву. Завдяки найвищому BS залізо-кобальтові сплави є незамінними для застосувань, де потрібне високе співвідношення потужності до ваги, наприклад двигунів і трансформаторів, що використовуються в космічних пристроях.
Аморфні та нанокристалічні сплави
Аморфні сплави, які також часто називають металевими стеклами, можна отримати шляхом швидкого затвердіння. В аморфних сплавах немає дальнього порядку для атомів, тому питомий опір зазвичай високий, і немає магнітокристалічної анізотропії. Крім того, аморфні стрічки товщиною приблизно від 20 до 30 мікрон можна легко виготовити за допомогою плоского поточного лиття. Усі ці ознаки гарантують, що аморфні сплави є чудовими кандидатами на м’які магніти. Відповідно до композиції більшість комерційно доступних аморфних м’яких магнітів можна класифікувати як на основі Fe, Co-основи та (Fe, Ni). Для цих трьох типів загальний вміст Fe, Co та Ni становить близько 75-90 мас.%, залишкові металоїди та склоутворюючі елементи, такі як Si, B, P, C та Zr, Nb, Mo , і т.д. Серед цих типів на основі заліза найвища BS близько 1,6 Т і найнижча вартість. Втрати заліза в аморфному сплаві на основі заліза становлять лише одну третину втрат у сталі Fe-Si. Якщо Fe-Si сталь у силових трансформаторах можна замінити аморфним сплавом на основі Fe, можна заощадити величезну кількість електроенергії, але вартість матеріалів для останнього буде вищою. Аморфні сплави на основі кобальту зазвичай мають BS нижче 0,8 Т, але набагато вищу проникність і майже нульове значення магнітострикції, що можна порівняти з найм’якшим пермалою, і можуть працювати навіть краще на вищих частотах завдяки своєму вищому питомому опору. Аморфні сплави на основі (Fe, Ni) мають середні магнітні властивості порівняно з двома іншими.
Аморфний стан є метастабільним станом. При нагріванні вище критичної температури відбувається швидке зародження і зростання мікрокристалів. У звичайних аморфних магнітно-м’яких сплавах під час кристалізації розмір мікрокристалів зросте до кількох сотень нанометрів за дуже короткий час і сильно погіршить магнітно-м’які властивості. Тим не менш, люди виявили, що шляхом додавання певної кількості Nb і Cu до аморфного сплаву на основі Fe можна контролювати процес кристалізації та отримати рівномірний розподіл нанокристалів розміром близько 10 нм в аморфній матриці. Магнітні властивості такого нанокристалічного сплаву на основі Fe навіть м’якші, ніж у відповідного аморфного сплаву, тобто вища проникність і менша коерцитивна сила, хоча BS також нижча (~1,2 Тл). Джерелом відмінних магнітом’яких властивостей нанокристалічних сплавів на основі заліза є те, що значення магнітокристалічної анізотропії та магнітострикції можна налаштувати майже до нуля. Аморфні сплави на основі пермалою та Co також можуть мати майже нульове значення магнітокристалічної анізотропії та магнітострикції, але BS нанокристалічних сплавів на основі Fe набагато вище. Тому нанокристалічні сплави можуть бути одними з найперспективніших магнітом'яких матеріалів. Вони широко використовуються в бездротових зарядних пристроях, високочастотних котушках індуктивності, магнітних датчиках, електромагнітному екрануванні, пристроях замикання на землю тощо.
Магнітно-м'які композити
Як згадувалося раніше, товщина м'яких магнітних матеріалів відіграє важливу роль для зменшення втрат на вихрові струми, тому м'які магнітні сплави повинні виготовлятися у формі тонкого ламінування для динамічного використання. Якщо ми розділимо інші два розміри м’якої магнітної стрічки, тобто ми використовуємо м’які магнітні сплави у формі порошків, то втрати на вихрові струми можна ще більше зменшити, а компоненти, виготовлені з яких, можна використовувати при значно вищих умовах. частоти. Для реалізації такого використання спочатку готують порошки сплаву (у більшості випадків методами розпилення), потім частинки повинні бути покриті ізоляційним шаром, після цього порошки змішуються з невеликою кількістю мастила та інтенсивно пресуються. тиск 600-800 МПа до кінцевої форми. М’які магнітні вироби, виготовлені за допомогою таких процесів, називаються м’якими магнітними композитами (SMC) або порошковими сердечниками. Іншою перевагою SMC є те, що з них можна виготовляти сердечники спеціальної форми, які навряд чи виготовляються традиційними методами укладання ламінування, що сприяє новому дизайну електромагнітних пристроїв. Основним недоліком SMC є те, що їхня проникність відносно низька. На сьогодні найбільш поширеними СМК є порошки Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, аморфні та нанокристалічні сплави тощо.
М'які ферити
Усі згадані вище магнітом’які матеріали є металами, тому ефекту вихрових струмів не уникнути. М’які ферити відрізняються тим, що вони є іонними сполуками та мають питомий опір на кілька порядків вище, ніж у металевих магнітом’яких матеріалів. Тому для додатків із частотою до 1 МГц м’які ферити є найкращим вибором щодо втрат енергії. Основним недоліком м'яких феритів є відносно низька BS. Два види найпоширеніших м’яких феритів – це ферити Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) і ферити Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Ферити Mn-Zn зазвичай використовуються на частотах нижче 1 МГц, тоді як ферити Ni-Zn можна використовувати на набагато вищих частотах, але BS і проникність для останніх нижчі.
Підсумовуючи, магнітно-м’які матеріали чутливі до зовнішніх магнітних полів, ця особливість робить їх незамінними для багатьох застосувань, особливо в області електротехніки, таких як трансформатори, електродвигуни, бездротові зарядні пристрої, силові електронні пристрої тощо. Для хорошого м’якого магніту , його щільність потоку насичення, проникність, питомий опір і температура Кюрі повинні бути якомога вищими, тоді як його коерцитивна сила і коефіцієнт магнітострикції повинні бути якомога нижчими. Немає жодного виду м’яких магнітних матеріалів, який міг би перевершити всі інші за всіма параметрами продуктивності. Для вибору найбільш підходящого матеріалу необхідно знайти компроміс між вартістю, втратою заліза, щільністю потоку насичення та проникністю.
Чавун і сталі з низьким вмістом вуглецю мають чудову щільність потоку насичення, але їхній питомий опір низький, що обмежує їх використання для динамічного застосування. У залізо можна додавати різні легуючі елементи, щоб оптимізувати його магнітні характеристики в певних аспектах. Сплави Fe-Si мають набагато більший питомий опір, ніж чисте залізо, і відносно високу щільність потоку насичення, вони широко використовуються для трансформаторів і електродвигунів, що працюють на частоті 50/60 Гц, і займають найбільшу частину всього ринку магнітом’яких матеріалів. Аморфні сплави на основі Fe працюють набагато краще, ніж сплави Fe-Si, щодо втрат заліза та можуть працювати на вищих частотах, але вартість також вища. Сплави Fe-Co мають найбільше значення щільності потоку насичення. При однаковій вихідній потужності/крутному моменті електричні машини, виготовлені зі сплавів Fe-Co, можуть мати менший розмір і меншу масу. Сплави Fe-Ni, аморфні сплави на основі Co та нанокристалічні сплави на основі Fe є найбільш м’якими магнітними матеріалами, оскільки для них як значення магнітокристалічної анізотропії, так і коефіцієнт магнітострикції можна налаштувати майже на нуль одночасно. Серед них нанокристалічні сплави на основі Fe мають найвищу щільність потоку насичення, вони є одним із найперспективніших магнітом’яких матеріалів. SMCs або порошкові сердечники будуть працювати краще на вищих частотах, ніж інші металеві м’які магнітні матеріали у формі тонкої смужки, оскільки частинки розділені ізоляційними шарами, тому ефект вихрових струмів може бути значною мірою пригнічений. Недоліками СМК є низька проникність і високі втрати на гістерезис. М’які ферити мають питомий опір на кілька порядків вище, ніж металеві м’які магнітні матеріали, тому на даний момент вони є найкращим вибором для робочих частот близько або вище 1 МГц, але їх щільність потоку насичення низька. Деякі фахівці вважають, що в деяких додатках м’які ферити можуть бути замінені на SMC, щоб зменшити розмір і масу високочастотних пристроїв, якщо технологію обробки для SMC можна вдосконалити.
