Többféle lágymágneses anyag létezik.
Vas és alacsony széntartalmú acélok
A vas és az alacsony széntartalmú acélok lehetnek a leggyakoribb és legolcsóbb lágymágneses anyagok. Meglehetősen magas BS-értékük ~2,15 T, ami csak a drága Fe-Co ötvözeteknél marad el. Ellenállásuk azonban meglehetősen alacsony, ami korlátozza a dinamikus alkalmazásokban való felhasználásukat. A vasat és az alacsony széntartalmú acélokat általában statikus/alacsony frekvenciájú alkalmazásokhoz használják, mint például az elektromágnes magja, a relék és néhány kis teljesítményű motor, amelyeknél az anyagköltség a fő probléma.
Vas-szilícium ötvözetek
Ha kevés szilíciumot adunk a vashoz, az jelentősen megnöveli annak ellenállását, ezért nagyon előnyös az örvényáram-veszteség gátlásában. A telítési mágnesezettség és a Curie-hőmérséklet enyhe csökkenése ellenére a Fe-Si ötvözetek széles körben használatosak az 50 Hz-től több száz Hz-ig tartó elektromos gépekben. Az örvényáram-veszteség további csökkentése érdekében a Fe-Si ötvözeteket gyakran vékony szalagokká hengerelik. A legelterjedtebb Fe-Si ötvözet vastagsága 0,35 mm vagy annál kisebb. A hengerlés és a hőkezelés körülményeitől függően a Fe-Si ötvözet szemcse-orientált (GO) és nem orientált (NO) kategóriába sorolható. A GO Fe-Si-t transzformátorokhoz használják, míg a NO Fe-Si-t az elektromos motorokhoz.
Vas-nikkel ötvözetek
Nikkel hozzáadható a vashoz, hogy egységes szilárd oldatokat képezzenek széles, 35 tömeg%-os összetételtartományban. % - 80 tömeg % Ni. A Fe20Ni80-hoz közeli összetételű ötvözeteket Permalloy-nak nevezték el (ma az emberek hajlamosak minden 35 tömeg%-nál magasabb nikkeltartalmú vas-nikkel ötvözetet Permalloy-nak nevezni). A Permalloy mágneses tulajdonságainak javítása érdekében általában kisebb mennyiségben adnak hozzá más elemeket, például Mo-t, Cu-t és Cr-t. A finom összetétel-beállítással és hőkezeléssel feldolgozott Permalloy a világ egyik legpuhább mágneses anyaga lehet, amelynek permeabilitása akár 1 200 000 is lehet. A permalloyok egyik hátránya a telítési mágnesezettségük, amely csak körülbelül 0,8 T, ami jóval alacsonyabb, mint a vas- és Fe-Si ötvöké. A nikkeltartalom csökkenésével a BS először is növekszik, 48 tömeg% körüli nikkeltartalom mellett eléri 1,6 tonnás maximumát. %, azonban az áteresztőképesség nem lesz olyan jó, mint a magas nikkeltartalmú ötvözeteké. A vas-nikkel ötvözet a legsokoldalúbb mágneses ötvözet, mágneses tulajdonságai az összetétel beállításával, mágneses lágyítással, mechanikus hengerléssel stb. hangolhatók. A vas-nikkel ötvözet nagyon jó alakíthatósággal is rendelkezik, amely akár 20 vékonyra is letekerhető mikron. Ennek eredményeként a nikkel-vas ötvözetek széles körben megtalálhatók, mint például a mágneses mező árnyékolása, földzárlat-megszakító, mágneses érzékelők, mágnesszalagok rögzítőfeje, teljesítményelektronika stb.
Vas-kobalt ötvözetek
A kobalt vashoz való hozzáadása növeli a Curie-hőmérsékletet és a BS-t is. 33 tömeg% kobalttartalomhoz % - 50 tömeg% %, a BS akár 2,4T is lehet. Bár nem olyan lágy, mint a vas-nikkel ötvözet, a vas-kobalt ötvözetek jelentik a legmagasabb BS-értéket az összes többi mágneses ötvözet közül. Az alakíthatóság növelése érdekében 2 tömeg% % vanádiumot adnak a Fe50Co50 ötvözethez, így akár 50 mikron vékonyra is letekerhető. A vanádium hozzáadása szintén növelheti a vas-kobalt ötvözet ellenállását. A legmagasabb BS-nek köszönhetően a vas-kobalt ötvözetek nélkülözhetetlenek olyan alkalmazásokban, ahol a nagy teljesítmény/tömeg arány megköveteli, mint például az űrben elhelyezett eszközökben használt motorok és transzformátorok.
Amorf és nanokristályos ötvözetek
Az amorf ötvözetek, amelyeket gyakran fémüvegnek is neveznek, gyors megszilárdulással állíthatók elő. Az amorf ötvözetek atomjainak nincs nagy hatótávolságú rendje, ezért általában nagy az ellenállás, és nincs mágneses kristályos anizotrópia. Ezenkívül síkáramú öntéssel könnyen előállíthatók olyan vékony amorf szalagok is, amelyek körülbelül 20 és 30 mikron közöttiek. Mindezek a karakterek garantálják, hogy az amorf ötvözetek kiváló jelöltek lágy mágnesekhez. A kompozíciók szerint a kereskedelemben kapható amorf lágy mágnesek többsége Fe-bázis, Co-bázis és (Fe, Ni) alapú kategóriába sorolható. Ennél a három típusnál az összes Fe, Co és Ni tartalom körülbelül 75-90 tömeg%, a maradék metalloidok és üvegképző elemek, például Si, B, P, C és Zr, Nb, Mo stb. Ezen típusok közül a Fe-alapú BS rendelkezik a legmagasabb, körülbelül 1,6 T értékkel és a legalacsonyabb költséggel. A Fe-alapú amorf ötvözet vasvesztesége csak egyharmada a Fe-Si acélénak. Ha a teljesítménytranszformátorokban a Fe-Si acélt ki lehet cserélni Fe-bázisú amorf ötvözetre, akkor hatalmas mennyiségű villamos energia takarítható meg, de az utóbbi anyagköltsége magasabb. A ko-alapú amorf ötvözetek BS-értéke általában 0,8 T-nál alacsonyabb, de sokkal nagyobb permeabilitással és nullához közeli magnetostrikcióval rendelkezik, ami a legpuhább permalloyhoz hasonlítható, és magasabb ellenállása miatt még jobban teljesítenek magasabb frekvenciákon. A (Fe, Ni) alapú amorf ötvözetek közepes mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek a másik kettőhöz képest.
Az amorf állapot metastabil állapot. Kritikus hőmérséklet fölé melegítve a gócképződés és a mikrokristályok növekedése gyorsan megy végbe. A hagyományos amorf lágymágneses ötvözetek esetében a kristályosodás során a mikrokristályok mérete nagyon rövid időn belül akár több száz nanométerre is megnő, és a lágymágneses tulajdonságokat súlyosan lerontja. Mindazonáltal az emberek azt találták, hogy bizonyos mennyiségű Nb és Cu hozzáadásával a vas-alapú amorf ötvözethez a kristályosodási folyamat kontrollálható, és a körülbelül 10 nm méretű nanokristály egyenletes eloszlása érhető el az amorf mátrixban. Egy ilyen Fe-alapú nanokristályos ötvözet mágneses tulajdonságai még lágyabbak, mint a megfelelő amorf ötvözeté, azaz nagyobb a permeabilitás és kisebb a koercitív, bár a BS is alacsonyabb (~1,2 T). A Fe-alapú nanokristályos ötvözetek kiváló lágymágneses tulajdonságainak forrása az, hogy mind a magnetokristályos anizotrópia, mind a magnetostrikció értéke közel nullára hangolható. A permalloy- és ko-alapú amorf ötvözetek mágneses kristályos anizotrópiája és magnetosztrikciója is közel nulla lehet, de a vas-alapú nanokristályos ötvözetek BS-értéke sokkal magasabb. Ezért a nanokristályos ötvözetek az egyik legígéretesebb lágymágneses anyagok lehetnek. Széles körben használják vezeték nélküli töltőben, nagyfrekvenciás induktorban, mágneses érzékelőben, elektromágneses árnyékolásban, földzárlat-megszakítóban és így tovább.
Puha mágneses kompozitok
Mint már említettük, a lágymágneses anyagok vastagsága fontos szerepet játszik az örvényáram-veszteségek csökkentésében, ezért a lágymágneses ötvözetek vékony laminálás formájában készüljenek dinamikus felhasználásra. Ha a lágymágneses szalag másik két dimenzióját lebontjuk, azaz a lágymágneses ötvözeteket por formájában használjuk fel, akkor az örvényáram-veszteségek tovább csökkenthetők, és az ebből készült alkatrészek jóval magasabban használhatók. frekvenciák. Az ilyen felhasználás megvalósításához először az ötvözetporokat készítik elő (a legtöbb esetben porlasztásos módszerrel), majd a részecskéket szigetelő réteggel kell bevonni, majd a porokat kis mennyiségű kenőanyaggal összekeverik és intenzíven préselik. nyomás 600-800 MPa a végső formára. Az ilyen eljárásokkal készült lágymágneses termékeket lágy mágneses kompozitoknak (SMC) vagy pormagoknak nevezik. Az SMC-k másik érdeme, hogy különféle speciálisan kialakított magok készíthetők belőlük, amelyeket a hagyományos laminálási halmozási módszerekkel aligha készítenek, ami előnyös az elektromágneses eszközök újszerű tervezésében. Az SMC-k fő hátránya, hogy permeabilitásuk viszonylag alacsony. Napjainkban a legelterjedtebb SMC-ket Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorf és nanokristályos ötvözetek stb. poraiból állítják elő.
Lágy ferritek
A fent említett lágymágneses anyagok mindegyike fém, ezért az örvényáram hatás nem kerülhető el. A lágy ferritek jellegzetessége, hogy ionos vegyületek, és ellenállásuk több nagyságrenddel nagyobb, mint a fémes lágymágneses anyagoké. Ezért az 1 MHz-ig terjedő frekvenciájú alkalmazásokhoz a lágy ferritek a legjobb választások az energiaveszteség szempontjából. A lágy ferritek fő hátránya, hogy a BS viszonylag alacsony. A legelterjedtebb lágy ferritek két fajtája a Mn-Zn ferrit ((Mn, Zn)Fe2O4) és a Ni-Zn ferrit ((Ni, Zn)Fe2O4. Az Mn-Zn ferriteket általában 1 MHz alatt használják, míg a Ni-Zn ferriteket jóval magasabb frekvenciákon is fel lehet használni, de az utóbbiak BS és permeabilitása alacsonyabb.
Összefoglalva, a lágy mágneses anyagok érzékenyek a külső mágneses mezőkre, ez a tulajdonság nélkülözhetetlenné teszi őket számos alkalmazáshoz, különösen az elektrotechnika területén, mint például transzformátorok, villanymotorok, vezeték nélküli töltők, erősáramú elektronikai eszközök stb. , telítési fluxussűrűségének, permeabilitásának, ellenállásának és Curie-hőmérsékletének a lehető legmagasabbnak kell lennie, míg koercitivitásának és magnetostrikciós együtthatójának a lehető legalacsonyabbnak kell lennie. Nincs egyetlen olyan lágy mágneses anyag, amely a teljesítmény minden aspektusában felülmúlja az összes többit. A legmegfelelőbb anyag kiválasztásához kompromisszumot kell kötni a költség, a vasveszteség, a telítési fluxussűrűség és a permeabilitás között.
A vas és az alacsony széntartalmú acélok kiváló telítési fluxussűrűséggel rendelkeznek, de ellenállásuk alacsony, ami korlátozza a dinamikus alkalmazásra való felhasználásukat. Különféle ötvözőelemek adhatók a vashoz, hogy optimalizálják annak mágneses teljesítményét bizonyos szempontból. A Fe-Si ötvözetek ellenállása sokkal nagyobb, mint a tiszta vas, és viszonylag nagy a telítési fluxussűrűsége, széles körben használják transzformátorokhoz és 50/60 Hz-es villanymotorokhoz, és a lágymágneses anyagok teljes piacának legnagyobb részét teszik ki. A vas-alapú amorf ötvözetek vasveszteség szempontjából sokkal jobban teljesítenek, mint a Fe-Si ötvözetek, és magasabb frekvencián is üzemeltethetők, de a költségek is magasabbak. A Fe-Co ötvözetek adják a legmagasabb telítési fluxussűrűséget. Azonos kimeneti teljesítmény/nyomaték mellett a Fe-Co ötvözetekből készült elektromos gépek kisebb méretűek és kisebb tömegűek lehetnek. A Fe-Ni ötvözetek, a Co-alapú amorf ötvözetek és a Fe alapú nanokristályos ötvözetek a legpuhább mágneses anyagok, mivel ezeknél a magnetokristályos anizotrópia és a magnetosztrikciós együttható értékeit egyszerre lehet nulla közelire hangolni. Ezek közül a Fe-alapú nanokristályos ötvözetek rendelkeznek a legnagyobb telítési fluxussűrűséggel, ezek az egyik legígéretesebb lágymágneses anyagok. Az SMC-k vagy pormagok jobb teljesítményt nyújtanak magasabb frekvenciákon, mint a többi fémes lágymágneses anyag vékony szalag formájában, mivel a részecskéket szigetelő rétegek választják el, így az örvényáram-hatás sokat gátolható. Az SMC-k hátránya az alacsony permeabilitás és a nagy hiszterézisveszteség. A lágy ferritek ellenállása több nagyságrenddel nagyobb, mint a fémes lágymágneses anyagoké, ezért jelenleg 1 MHz-hez közeli vagy feletti működési frekvenciákhoz a legjobb választás, de telítési fluxussűrűségük alacsony. Egyes szakemberek úgy vélik, hogy bizonyos alkalmazásokban a lágy ferriteket SMC-kkel helyettesíthetik, hogy csökkentsék a nagyfrekvenciás eszközök méretét és tömegét, ha az SMC-k feldolgozási technológiája javítható.
