Er bestaan verschillende soorten zachtmagnetische materialen.
IJzer en koolstofarme staalsoorten
IJzer en koolstofarme staalsoorten zijn misschien wel de meest voorkomende en goedkoopste zachte magnetische materialen. Ze hebben een vrij hoge waarde van BS ~2,15 T, wat alleen slechter is dan de dure Fe-Co-legeringen. Maar hun weerstanden zijn vrij laag, wat hun gebruik in dynamische toepassingen beperkt. IJzer en koolstofarme staalsoorten worden meestal gebruikt voor statische/lage frequentietoepassingen, zoals de kern van elektromagneet, relais en sommige motoren met een laag vermogen, waarbij de materiaalkosten de grootste zorg zijn.
IJzer-siliciumlegeringen
Toevoeging van een paar silicium aan ijzer zal de soortelijke weerstand ervan aanzienlijk vergroten en is daarom zeer gunstig voor het tegengaan van het wervelstroomverlies. Ondanks een lichte afname van de verzadigingsmagnetisatie en de Curietemperatuur, worden Fe-Si-legeringen veel gebruikt in elektrische machines die werken bij 50 Hz tot enkele honderden Hz. Om het wervelstroomverlies verder te verminderen, worden Fe-Si-legeringen vaak in de vorm van dunne strips gewalst. De dikte van de meest voorkomende Fe-Si-legering is gelijk aan of kleiner dan 0,35 mm. Afhankelijk van de omstandigheden van het walsen en de warmtebehandeling kan de Fe-Si-legering worden geclassificeerd als Grain-Oriented (GO) en Non-Oriented (NO). GO Fe-Si wordt gebruikt voor transformatoren, terwijl NO Fe-Si wordt gebruikt voor elektromotoren.
IJzer-nikkellegeringen
Nikkel kan aan ijzer worden toegevoegd om uniforme vaste oplossingen te vormen in een breed samenstellingsbereik van 35 gew.% tot 80 gew.% Ni. De legeringen met een samenstelling in de buurt van Fe20Ni80 werden Permalloy genoemd (tegenwoordig noemen mensen alle ijzer-nikkellegeringen met een nikkelgehalte hoger dan 35 gew.% Permalloy). Kleinere hoeveelheden andere elementen zoals Mo, Cu en Cr worden meestal toegevoegd om de magnetische eigenschappen van Permalloy te verbeteren. Verwerkt door delicate samenstellingsaanpassing en warmtebehandeling, kan Permalloy een van de zachtste magnetische materialen ter wereld zijn, waarvan de permeabiliteit wel 1 200 000 kan zijn. Een van de nadelen van Permalloys is hun verzadigingsmagnetisatie, die slechts ongeveer 0,8 T bedraagt, veel lager dan die van ijzer en Fe-Si-legeringen. Met een afname van het nikkelgehalte zal BS eerst toenemen en zijn maximum van 1,6 T bereiken bij een nikkelgehalte van ongeveer 48 gew.%. %, maar de permeabiliteit zal niet zo goed zijn als legeringen met een hoog nikkelgehalte. IJzer-nikkellegering is de meest veelzijdige magnetische legering, de magnetische eigenschappen kunnen worden afgestemd door de samenstelling aan te passen, magnetisch gloeien en mechanisch rollen, enz. IJzer-nikkellegering biedt ook een zeer goede vervormbaarheid, die kan worden gewalst tot zo dun als 20 micron. Als gevolg hiervan zijn nikkel-ijzerlegeringen te vinden in brede toepassingen zoals magnetische veldafscherming, aardlekschakelaar, magnetische sensoren, opnamekop voor magneetbanden, vermogenselektronica, enz.
IJzer-kobaltlegeringen
Het toevoegen van kobalt aan ijzer verhoogt zowel de Curietemperatuur als de BS. Voor een kobaltgehalte in het bereik van 33 gew.% tot 50 gew.% kan de BS oplopen tot 2,4T. Hoewel niet zo zacht als ijzer-nikkellegering, hebben ijzer-kobaltlegeringen de hoogste BS-waarde van alle andere magnetische legeringen. Om de vervormbaarheid te vergroten, wordt 2 gew.% vanadium toegevoegd aan de Fe50Co50-legering, zodat deze kan worden uitgewalst tot een dikte van 50 micron. Toevoeging van vanadium kan ook de weerstand van ijzer-kobaltlegering verhogen. Vanwege de hoogste BS zijn ijzer-kobaltlegeringen onmisbaar voor toepassingen waarbij een hoge vermogens-gewichtsverhouding vereist is, zoals motoren en transformatoren die worden gebruikt in ruimtevaartuigen.
Amorfe en nanokristallijne legeringen
Amorfe legeringen, ook vaak metallisch glas genoemd, kunnen worden geproduceerd door snelle stolling. Er is geen langeafstandsvolgorde voor de atomen in amorfe legeringen, daarom is de soortelijke weerstand meestal hoog en is er geen magnetokristallijne anisotropie. Bovendien kunnen amorfe linten zo dun als ongeveer 20 tot 30 micron gemakkelijk worden geproduceerd door planar flow casting. Al deze karakters garanderen dat amorfe legeringen uitstekende kandidaten zijn voor zachte magneten. Volgens de samenstellingen kunnen de meeste in de handel verkrijgbare amorfe zachte magneten worden geclassificeerd als op Fe-basis, Co-basis en (Fe, Ni)-gebaseerd. Voor deze drie typen bedraagt het totale gehalte aan Fe, Co en Ni ongeveer 75-90 gew.%, de resterende zijn metalloïden en glasvormende elementen zoals Si, B, P, C en Zr, Nb, Mo , enz. Van deze typen heeft Fe-gebaseerd de hoogste BS van ongeveer 1,6 T en de laagste kosten. Het ijzerverlies van een amorfe legering op Fe-basis bedraagt slechts een derde van dat van Fe-Si-staal. Als het Fe-Si-staal in de stroomtransformatoren kan worden vervangen door een amorfe legering op Fe-basis, kan een enorme hoeveelheid elektrisch vermogen worden bespaard, maar zijn de materiaalkosten voor dit laatste hoger. Op co-gebaseerde amorfe legeringen hebben gewoonlijk een BS lager dan 0,8 T, maar een veel hogere permeabiliteit en een bijna nulwaarde van magnetostrictie, wat vergelijkbaar is met de zachtste permalloy, en kunnen zelfs beter presteren bij hogere frequenties vanwege de hogere soortelijke weerstand. Op (Fe, Ni) gebaseerde amorfe legeringen vertonen gemiddelde magnetische eigenschappen vergeleken met de andere twee.
Amorfe toestand is een metastabiele toestand. Bij verhitting boven een kritische temperatuur vinden kernvorming en groei van microkristallen snel plaats. Bij conventionele amorfe zachtmagnetische legeringen zal de grootte van de microkristallen tijdens de kristallisatie in zeer korte tijd oplopen tot enkele honderden nanometers, waardoor de zachtmagnetische eigenschappen ernstig achteruitgaan. Niettemin ontdekten mensen dat door toevoeging van een bepaalde hoeveelheid Nb en Cu aan een op Fe gebaseerde amorfe legering het kristallisatieproces onder controle kan zijn en een uniforme verdeling van nanokristallen met een grootte van ongeveer 10 nm in de amorfe matrix kan worden verkregen. De magnetische eigenschappen van een dergelijke op Fe gebaseerde nanokristallijne legering zijn zelfs zachter dan die van de overeenkomstige amorfe legering, dat wil zeggen een hogere permeabiliteit en een lagere coërciviteit, hoewel de BS ook lager is (~1,2 T). De bron van de uitstekende zachtmagnetische eigenschappen voor op Fe gebaseerde nanokristallijne legeringen is dat zowel de waarde van magnetokristallijne anisotropie als magnetostrictie tot bijna nul kunnen worden afgestemd. Op permalloy en co gebaseerde amorfe legeringen kunnen ook een bijna nulwaarde van magnetokristallijne anisotropie en magnetostrictie hebben, maar de BS van op Fe gebaseerde nanokristallijne legeringen is veel hoger. Daarom kunnen nanokristallijne legeringen een van de meest veelbelovende zachtmagnetische materialen zijn. Ze worden veel gebruikt in draadloze opladers, hoogfrequente inductoren, magnetische sensoren, elektromagnetische afschermingen, aardlekschakelaars, enzovoort.
Zachte magnetische composieten
Zoals eerder vermeld speelt de dikte van zachte magnetische materialen een belangrijke rol bij het verminderen van wervelstroomverliezen, daarom moeten de zachte magnetische legeringen worden gemaakt in de vorm van dunne laminering voor dynamisch gebruik. Als we de andere twee dimensies van de zachte magnetische strip opsplitsen, dat wil zeggen, we gebruiken de zachte magnetische legeringen in de vorm van poeders, dan kunnen de wervelstroomverliezen verder worden verminderd en kunnen de componenten die daarmee worden gemaakt op veel hogere niveaus worden gebruikt. frequenties. Om een dergelijk gebruik te realiseren, worden de legeringspoeders eerst bereid (in de meeste gevallen door middel van vernevelingsmethoden). Vervolgens moeten de deeltjes worden bedekt met een isolatielaag. Daarna worden de poeders gemengd met een kleine hoeveelheid smeermiddel en samengeperst met een intense druk. druk van 600-800 MPa tot de uiteindelijke vorm. Zachtmagnetische producten die met dergelijke processen worden gemaakt, worden Soft Magnetic Composites (SMC's) of poederkernen genoemd. Een andere verdienste van SMC's is dat er verschillende speciaal gevormde kernen van kunnen worden gemaakt die nauwelijks worden gemaakt met de traditionele stapelmethoden voor lamineren, wat voordelen biedt voor het nieuwe ontwerp van elektromagnetische apparaten. Het belangrijkste nadeel van SMC's is dat hun permeabiliteit relatief laag is. Tegenwoordig worden de meest voorkomende SMC's gemaakt door poeders van Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorfe en nanokristallijne legeringen, enz.
Zachte ferrieten
Alle hierboven genoemde zachte magnetische materialen zijn metalen, daarom kan het wervelstroomeffect niet worden vermeden. Zachte ferrieten onderscheiden zich doordat het ionische verbindingen zijn en een soortelijke weerstand hebben die enkele ordes van grootte hoger is dan die van de metallische zachte magnetische materialen. Daarom zijn zachte ferrieten voor toepassingen met een frequentie tot 1 MHz de beste keuze met betrekking tot de energieverliezen. Het belangrijkste nadeel van zachte ferrieten is dat de BS relatief laag is. Twee soorten van de meest voorkomende zachte ferrieten zijn Mn-Zn-ferrieten ((Mn, Zn)Fe2O4) en Ni-Zn-ferrieten ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn-ferrieten worden gewoonlijk gebruikt onder 1 MHz, terwijl Ni-Zn-ferrieten bij veel hogere frequenties kunnen worden gebruikt, maar de BS en de permeabiliteit voor de laatste zijn lager.
Concluderend, zachte magnetische materialen zijn gevoelig voor externe magnetische velden, deze eigenschap maakt ze onmisbaar voor veel toepassingen, met name op het gebied van elektrotechniek, zoals transformatoren, elektromotoren, draadloze opladers, vermogenselektronische apparaten, enz. Voor een goede zachte magneet moeten de verzadigingsfluxdichtheid, permeabiliteit, weerstand en Curietemperatuur zo hoog mogelijk zijn, terwijl de coërciviteit en magnetostrictiecoëfficiënt zo laag mogelijk moeten zijn. Er is geen enkel soort zacht magnetisch materiaal dat alle anderen kan verslaan in alle aspecten van prestatie. Om het meest geschikte materiaal te kiezen, moet een afweging worden gemaakt tussen kosten, ijzerverlies, verzadigingsfluxdichtheid en permeabiliteit.
IJzer en staal met een laag koolstofgehalte hebben een uitstekende verzadigingsfluxdichtheid, maar hun soortelijke weerstand is laag, waardoor het gebruik ervan voor dynamische toepassingen wordt beperkt. Er kunnen verschillende legeringselementen aan ijzer worden toegevoegd om de magnetische prestaties ervan in bepaalde aspecten te optimaliseren. Fe-Si-legeringen hebben een veel hogere soortelijke weerstand dan puur ijzer en een relatief hoge verzadigingsfluxdichtheid. Ze worden veel gebruikt voor transformatoren en elektromotoren die werken op 50/60 Hz en nemen het grootste deel van de hele markt voor zachte magnetische materialen in beslag. Amorfe legeringen op Fe-basis presteren veel beter dan Fe-Si-legeringen wat betreft de ijzerverliezen en kunnen bij hogere frequenties worden gebruikt, maar de kosten zijn ook hoger. Fe-Co-legeringen vertonen de hoogste waarde van verzadigingsfluxdichtheid. Met hetzelfde uitgangsvermogen/koppel kunnen de elektrische machines gemaakt met Fe-Co-legeringen een kleiner formaat en minder massa hebben. Fe-Ni-legeringen, op Co gebaseerde amorfe legeringen en op Fe gebaseerde nanokristallijne legeringen zijn de zachtste magnetische materialen, omdat zowel de waarden van de magnetokristallijne anisotropie als de magnetostrictiecoëfficiënt ervoor tegelijkertijd op bijna nul kunnen worden afgestemd. Hiervan hebben op Fe gebaseerde nanokristallijne legeringen de hoogste verzadigingsfluxdichtheid. Ze zijn een van de meest veelbelovende zachtmagnetische materialen. SMC's of poederkernen zullen beter presteren bij hogere frequenties dan de andere metalen zachtmagnetische materialen in de vorm van dunne strips, omdat de deeltjes worden gescheiden door isolerende lagen, zodat het wervelstroomeffect veel kan worden geremd. De nadelen van SMC's zijn de lage permeabiliteit en het hoge hysteresisverlies. Zachte ferrieten hebben weerstanden die verschillende ordes van grootte hoger zijn dan metallische zachte magnetische materialen. Als resultaat zijn ze voorlopig de beste keuze voor werkfrequenties dichtbij of boven 1 MHz, maar hun verzadigingsfluxdichtheden zijn laag. Sommige specialisten zijn van mening dat in sommige toepassingen zachte ferrieten kunnen worden vervangen door SMC's om de omvang en massa van de hoogfrequente apparaten te verminderen als de verwerkingstechnologie voor SMC's kan worden verbeterd.
