Postoji nekoliko vrsta mekih magnetnih materijala.
Gvožđe i niskougljični čelici
Gvožđe i niskougljični čelici mogu biti najčešći i najjeftiniji meki magnetni materijali. Imaju prilično visoku vrijednost BS ~2,15 T, što je samo inferiorno u odnosu na skupe Fe-Co legura. Ali njihove otpornosti su prilično niske, što ograničava njihovu upotrebu u dinamičkim aplikacijama. Gvožđe i niskougljični čelici se obično koriste za statičke/niskofrekventne aplikacije, kao što su jezgra elektromagneta, releja i nekih motora male snage za koje je cijena materijala glavna briga.
Legure gvožđa i silicijuma
Dodavanje nekoliko silicijuma gvožđu će značajno povećati njegovu otpornost, stoga je veoma korisno za inhibiranje gubitka vrtložnih struja. Uprkos blagom smanjenju magnetizacije zasićenja i Curie temperature, legure Fe-Si se široko koriste u električnim mašinama koje rade na frekvencijama od 50 Hz do nekoliko stotina Hz. Da bi se dodatno smanjio gubitak vrtložne struje, legure Fe-Si se često valjaju u obliku tankih traka. Debljina najčešće legure Fe-Si je jednaka ili manja od 0,35 mm. U zavisnosti od uslova valjanja i termičke obrade, legura Fe-Si može se klasifikovati kao zrnasto orijentisana (GO) i neorijentisana (NO). GO Fe-Si se koristi za transformatore, dok se NO Fe-Si koristi za elektromotore.
Legure gvožđa i nikla
Nikl se može dodati gvožđu kako bi se formirale uniformne čvrste otopine u širokom rasponu sastava od 35 tež. % do 80 mas. % Ni. Legure sa sastavom blizu Fe20Ni80 nazvane su kao Permalloy (danas se sve legure gvožđa i nikla sa sadržajem nikla većim od 35 tež. % ljudi nazivaju Permalloy). Manji sadržaj drugih elemenata kao što su Mo, Cu i Cr se obično dodaje da bi se poboljšala magnetna svojstva permaloja. Obrađen delikatnim podešavanjem sastava i termičkom obradom, permalloy može biti jedan od najmekših magnetnih materijala na svijetu, čija propusnost može biti i do 1 200 000. Jedan od nedostataka permalloja je njihova magnetizacija zasićenja, koja je samo oko 0,8 T, mnogo niža od one kod gvožđa i legura Fe-Si. Sa smanjenjem sadržaja nikla, BS će se prvo povećati, dostići svoje maksimume od 1,6T pri sadržaju nikla od oko 48 tež. %, međutim, propusnost neće biti tako dobra kao legure s visokim sadržajem nikla. Legura gvožđe-nikl je najsvestranija magnetna legura, njena magnetna svojstva se mogu podesiti podešavanjem sastava, magnetnim žarenjem, mehaničkim valjanjem itd. Legura gvožđe-nikl takođe ima veoma dobru sposobnost oblikovanja, koja se može valjati do 20 mikrona. Kao rezultat toga, legure nikla i gvožđa mogu se naći u širokim primenama kao što su zaštita od magnetnog polja, prekidač za uzemljenje, magnetni senzori, glava za snimanje magnetnih traka, energetska elektronika, itd.
Legure gvožđa i kobalta
Dodavanje kobalta u gvožđe će povećati i Curie temperaturu i BS. Za sadržaj kobalta u rasponu od 33 tež. % do 50 mas. %, BS može biti čak 2,4T. Iako nisu tako meke kao legure željeza i nikla, legure željeza i kobalta predstavljaju najveću vrijednost BS među svim drugim magnetnim legurama. Za povećanje formabilnosti, 2 mas. % vanadijuma se dodaje leguri Fe50Co50, tako da se može valjati do 50 mikrona. Dodatak vanadijuma takođe može povećati otpornost legure gvožđa i kobalta. Zbog najvećeg BS, legure željeza i kobalta su nezamjenjive za primjene gdje je zahtjevan veliki omjer snage i težine, kao što su motori i transformatori koji se koriste u svemirskim uređajima.
Amorfne i nanokristalne legure
Amorfne legure, koje se također često nazivaju metalnim staklima, mogu se proizvesti brzim skrućivanjem. Ne postoji poredak na daljinu za atome u amorfnim legurama, stoga je otpornost obično visoka i nema magnetokristalne anizotropije. Nadalje, amorfne trake tanke od oko 20 do 30 mikrona mogu se lako proizvesti lijevanjem ravnim tečenjem. Svi ovi karakteri garantuju da su amorfne legure odlični kandidati za meke magnete. Prema sastavu, većina komercijalno dostupnih amorfnih mekih magneta može se klasificirati kao na bazi Fe, Co-baze i (Fe, Ni) na bazi. Za ova tri tipa, ukupan sadržaj Fe, Co i Ni je oko 75-90 tež.%, ostatak su metaloidi i elementi koji formiraju staklo kao što su Si, B, P, C i Zr, Nb, Mo , itd. Među ovim tipovima, na bazi Fe ima najveći BS od oko 1,6 T i najnižu cijenu. Gubitak željeza amorfne legure na bazi Fe je samo jedna trećina gubitka željeza kod Fe-Si čelika. Ako se Fe-Si čelik u energetskim transformatorima može zamijeniti amorfnom legurom na bazi Fe, može se uštedjeti ogromna količina električne energije, ali cijena materijala za potonje je veća. Ko-bazirane amorfne legure obično imaju BS nižu od 0,8 T, ali mnogo veću permeabilnost i skoro nultu vrijednost magnetostrikcije, koja je uporediva s najmekšom permalojom, a može čak i bolje raditi na višim frekvencijama zbog svoje veće otpornosti. Amorfne legure na bazi (Fe, Ni) imaju srednje magnetna svojstva u poređenju sa druge dve.
Amorfno stanje je metastabilno stanje. Nakon zagrijavanja iznad kritične temperature, nukleacija i rast mikrokristala se odvija brzo. Za konvencionalne amorfne meke magnetne legure, tokom kristalizacije, veličina mikrokristala će narasti do nekoliko stotina nanometara u vrlo kratkom vremenu i ozbiljno degenerisati meka magnetska svojstva. Ipak, ljudi su otkrili da dodavanjem određene količine Nb i Cu amorfnoj leguri na bazi Fe, proces kristalizacije može biti pod kontrolom i da se može dobiti ujednačena distribucija nanokristala veličine oko 10 nm u amorfnoj matrici. Magnetna svojstva takve nanokristalne legure na bazi Fe čak su mekša od odgovarajuće amorfne legure, tj. veća permeabilnost i niža koercitivnost, iako je BS također niži (~1,2 T). Izvor odličnih mekih magnetskih svojstava za nanokristalne legure na bazi Fe je to što se i vrijednost magneto-kristalne anizotropije i magnetostrikcije mogu podesiti na blizu nule. Amorfne legure na bazi permaloje i ko takođe mogu imati skoro nultu vrednost magneto-kristalne anizotropije i magnetostrikcije, ali je BS nanokristalnih legura na bazi Fe mnogo veći. Stoga, nanokristalne legure mogu biti jedan od najperspektivnijih mekih magnetskih materijala. Široko se koriste u bežičnim punjačima, visokofrekventnim induktorima, magnetnim senzorima, elektromagnetskoj zaštiti, prekidačima za uzemljenje itd.
Meki magnetni kompoziti
Kao što je već spomenuto, debljina mekih magnetskih materijala igra važnu ulogu u smanjenju gubitaka vrtložnih struja, stoga meke magnetne legure treba napraviti u obliku tanke laminacije za dinamičku upotrebu. Ako razbijemo druge dvije dimenzije meke magnetske trake, odnosno koristimo meke magnetne legure u obliku praha, tada se gubici vrtložne struje mogu dodatno smanjiti, a komponente od kojih se mogu koristiti na mnogo većoj temperaturi. frekvencije. Da bi se ostvarila takva upotreba, prvo se pripremaju prahovi legure (u većini slučajeva metodama atomizacije), zatim se čestice premazuju izolacijskim slojem, nakon toga se prahovi miješaju sa malom količinom maziva i komprimiraju na intenzivnoj pritisak od 600-800 MPa do konačnog oblika. Meki magnetni proizvodi napravljeni takvim procesima nazivaju se meki magnetni kompoziti (SMC) ili jezgra u prahu. Još jedna zasluga SMC-a je da se od njih mogu napraviti različita posebno oblikovana jezgra koja se teško prave tradicionalnim metodama laminiranja, što je pogodno za novi dizajn elektromagnetnih uređaja. Glavni nedostatak SMC-a je da su njihove propusnosti relativno niske. Danas se najčešće SMC izrađuju od prahova Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorfnih i nanokristalnih legura itd.
Meki feriti
Svi navedeni meki magnetni materijali su metali, stoga se efekat vrtložne struje ne može izbjeći. Meki feriti se razlikuju po tome što su jonska jedinjenja i imaju otpornost nekoliko redova veličine veća od otpornosti metalnih mekih magnetnih materijala. Stoga, za aplikacije sa frekvencijom do 1 MHz, meki ferit su najbolji izbor u pogledu gubitaka energije. Glavni nedostatak mekih ferita je da je BS relativno nizak. Dvije vrste najčešćih mekih ferita su Mn-Zn feriti ((Mn, Zn)Fe2O4) i Ni-Zn feriti ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn feriti se obično koriste ispod 1 MHz, dok se Ni-Zn feriti mogu koristiti na mnogo višim frekvencijama, ali su BS i permeabilnost za potonje niže.
Da zaključimo, meki magnetni materijali su osjetljivi na vanjska magnetna polja, ova karakteristika ih čini nezamjenjivim za mnoge primjene posebno u području elektrotehnike, kao što su transformatori, elektromotori, bežični punjači, energetski elektronski uređaji, itd. Za dobar mekani magnet , njegova gustina fluksa zasićenja, permeabilnost, otpornost i Curie temperatura trebaju biti što je moguće veći, dok koercitivnost i koeficijent magnetostrikcije trebaju biti što je moguće niži. Ne postoji jedna vrsta mekih magnetnih materijala koja može nadmašiti sve ostale u svim aspektima performansi. Za odabir najprikladnijeg materijala, mora se napraviti kompromis između cijene, gubitka željeza, gustine fluksa zasićenja i propusnosti.
Gvožđe i čelici s niskim udjelom ugljika imaju odličnu gustoću fluksa zasićenja, ali su njihove otpornosti niske, što ograničava njihovu upotrebu za dinamičku primjenu. U željezo se mogu dodati različiti legirajući elementi kako bi se optimizirale njegove magnetne performanse u određenim aspektima. Fe-Si legure imaju mnogo veću otpornost od čistog željeza i relativno visoku gustoću fluksa zasićenja, naširoko se koriste za transformatore i elektromotore koji rade na 50/60 Hz i zauzimaju najveći dio cjelokupnog tržišta mekih magnetskih materijala. Amorfne legure na bazi Fe imaju mnogo bolje performanse od Fe-Si legura u pogledu gubitaka gvožđa i mogu da rade na višim frekvencijama, ali je i cena veća. Fe-Co legure imaju najveću vrijednost gustine fluksa zasićenja. Sa istom izlaznom snagom/momentom, električne mašine napravljene od Fe-Co legura mogu imati manju veličinu i manju masu. Fe-Ni legure, amorfne legure na bazi Co i nanokristalne legure na bazi Fe su najmekši magnetni materijali, jer se i vrijednosti magnetno-kristalne anizotropije i koeficijenta magnetostrikcije za njih mogu istovremeno podesiti na blizu nule. Među njima, nanokristalne legure na bazi Fe imaju najveću gustoću fluksa zasićenja, one su jedna vrsta najperspektivnijih mekih magnetnih materijala. SMC ili praškasta jezgra bolje će raditi na višim frekvencijama od drugih metalnih mekih magnetnih materijala u obliku tanke trake jer su čestice odvojene izolacijskim slojevima tako da se efekt vrtložne struje može u velikoj mjeri inhibirati. Nedostaci SMC-a su niska permeabilnost i veliki gubitak histereze. Meki feriti imaju otpornost nekoliko redova veličine veće od metalnih mekih magnetnih materijala, kao rezultat toga, oni su za sada najbolji izbor za radne frekvencije blizu ili iznad 1 MHz, ali je njihova gustoća fluksa zasićenja niska. Neki stručnjaci vjeruju da se u nekim aplikacijama meki feriti mogu zamijeniti SMC-ima kako bi se smanjila veličina i masa visokofrekventnih uređaja ako se može poboljšati tehnologija obrade za SMC.
