Det finns flera typer av mjuka magnetiska material.
Järn och lågkolstål
Järn och lågkolstål kan vara de vanligaste och billigaste mjuka magnetiska materialen. De har ett ganska högt värde på BS ~2,15 T, vilket bara är sämre än de dyra Fe-Co-legeringarna. Men deras resistiviteter är ganska låga, vilket begränsar deras användning i dynamiska applikationer. Järn och lågkolstål används vanligtvis för statiska/lågfrekvenstillämpningar, såsom kärnan i elektromagneter, reläer och vissa lågeffektsmotorer där materialkostnaden är det största problemet.
Järn-kisellegeringar
Tillsats av några kisel till järn kommer att öka dess resistivitet särskilt, och är därför mycket fördelaktigt för att hämma virvelströmsförlusten. Trots något minskad mättnadsmagnetisering och Curie-temperatur, används Fe-Si-legeringar i stor utsträckning i elektriska maskiner som arbetar vid från 50 Hz till flera hundra Hz. För att ytterligare minska virvelströmsförlusten valsas Fe-Si-legeringar ofta till formen av tunna remsor. Tjockleken för den vanligaste Fe-Si-legeringen är lika med eller mindre än 0,35 mm. Beroende på förhållandena för valsning och värmebehandling kan Fe-Si-legering klassificeras som kornorienterad (GO) och icke-orienterad (NO). GO Fe-Si används för transformatorer, medan NO Fe-Si används för elmotorer.
Järn-nickellegeringar
Nickel kan tillsättas till järn för att bilda enhetliga fasta lösningar i ett brett sammansättningsområde av 35 viktprocent. % till 80 vikt. % Ni. Legeringarna med sammansättning nära Fe20Ni80 namngavs som Permalloy (numera brukar man kalla all järn-nickellegering med en nickelhalt högre än 35 viktprocent för Permalloy). Mindre innehåll av andra element som Mo, Cu och Cr tillsätts vanligtvis för att förbättra de magnetiska egenskaperna hos Permalloy. Bearbetad genom känslig sammansättningsjustering och värmebehandling kan Permalloy vara ett av de mjukaste magnetiska materialen i världen, vars permeabilitet kan vara så hög som 1 200 000. En av nackdelarna med Permalloys är deras mättnadsmagnetisering, som bara är cirka 0,8 T, mycket lägre än för järn och Fe-Si-legeringar. Med en minskning av nickelhalten kommer BS att öka först och nå sitt maxima på 1,6T vid en nickelhalt på 48 viktprocent. % blir dock permeabiliteten inte lika bra som legeringar med hög nickelhalt. Järn-nickellegering är den mest mångsidiga magnetiska legeringen, dess magnetiska egenskaper kan justeras genom justering av sammansättning, magnetisk glödgning och mekanisk valsning etc. Järn-nickellegering har också mycket god formbarhet, som kan rullas ner till så tunn som 20 mikron. Som ett resultat kan nickel-järnlegeringar hittas i breda applikationer som magnetfältsskärmning, jordfelsbrytare, magnetiska sensorer, inspelningshuvud för magnetband, kraftelektronik, etc.
Järn-koboltlegeringar
Att tillsätta kobolt till järn kommer att öka både Curie-temperaturen och BS. För kobolthalt inom intervallet 33 viktprocent. % till 50 viktprocent. % kan BS vara så hög som 2,4T. Även om de inte är lika mjuka som järn-nickellegeringar, har järn-koboltlegeringar det högsta värdet av BS bland alla andra magnetiska legeringar. För att öka formbarheten, 2 wt. % vanadin tillsätts till Fe50Co50-legeringen, så att den kan rullas ner till så tunn som 50 mikron. Tillsats av vanadin kan också öka resistiviteten hos järn-koboltlegering. Tack vare den högsta BS är järn-koboltlegeringar oumbärliga för applikationer där höga effekt/viktförhållande är krävande, såsom motorer och transformatorer som används i rymdburna enheter.
Amorfa och nanokristallina legeringar
Amorfa legeringar, även ofta kallade metallglas, kan framställas genom snabb stelning. Det finns ingen långvägsordning för atomerna i amorfa legeringar, därför är resistiviteten vanligtvis hög och det finns ingen magnetokristallin anisotropi. Dessutom kan amorfa band så tunna som runt 20 till 30 mikron enkelt produceras genom planar flow-gjutning. Alla dessa karaktärer garanterar att amorfa legeringar är utmärkta kandidater för mjuka magneter. Enligt kompositionerna kan de flesta kommersiellt tillgängliga amorfa mjuka magneterna klassificeras som Fe-bas, Co-bas och (Fe, Ni)-baserad. För dessa tre typer är den totala halten av Fe, Co och Ni cirka 75-90 viktprocent, remanenten är metalloider och glasbildande element som Si, B, P, C och Zr, Nb, Mo , etc. Bland dessa typer har Fe-baserade den högsta BS på cirka 1,6 T och lägsta kostnad. Järnförlusten hos Fe-baserad amorf legering är bara en tredjedel av Fe-Si-stål. Om Fe-Si-stålet i krafttransformatorerna kan ersättas med Fe-baserad amorf legering, kan en enorm mängd elektrisk kraft sparas, men materialkostnaden för den senare är högre. Sambaserade amorfa legeringar har vanligtvis BS lägre än 0,8 T men mycket högre permeabilitet och nära noll värde på magnetostriktion, vilket är jämförbart med den mjukaste permalloyen, och kan prestera ännu bättre vid högre frekvenser på grund av dess högre resistivitet. (Fe, Ni)-baserade amorfa legeringar uppvisar medelstora magnetiska egenskaper jämfört med de andra två.
Amorft tillstånd är ett metastabilt tillstånd. Vid uppvärmning över en kritisk temperatur sker kärnbildning och tillväxt av mikrokristaller snabbt. För konventionella amorfa mjuka magnetiska legeringar kommer storleken på mikrokristaller under kristalliseringen att växa upp till flera hundra nanometer på mycket kort tid och degenerera de mjuka magnetiska egenskaperna allvarligt. Ändå fann folk att genom tillsats av en viss mängd Nb och Cu till Fe-baserad amorf legering kan kristalliseringsprocessen vara under kontroll och en enhetlig fördelning av nanokristall med storlek ca 10 nm i den amorfa matrisen. De magnetiska egenskaperna hos en sådan Fe-baserad nanokristallin legering är till och med mjukare än motsvarande amorfa legering, dvs högre permeabilitet och lägre koercitivitet, även om BS också är lägre (~1,2 T). Källan till de utmärkta mjukmagnetiska egenskaperna för Fe-baserade nanokristallina legeringar är att både värdet av magnetokristallin anisotropi och magnetostriktion kan ställas in till nära noll. Permalloy och Co-baserade amorfa legeringar kan också ha nära noll värde av magnetokristallin anisotropi och magnetostriktion, men BS för Fe-baserade nanokristallina legeringar är mycket högre. Därför kan nanokristallina legeringar vara ett av de mest lovande mjuka magnetiska materialen. De används ofta i trådlös laddare, högfrekvent induktor, magnetisk sensor, elektromagnetisk skärmning, jordfelsbrytare och så vidare.
Mjuka magnetiska kompositer
Som nämnts tidigare spelar tjockleken på mjuka magnetiska material en viktig roll för att minska virvelströmsförlusterna, så de mjuka magnetiska legeringarna bör göras i form av tunn laminering för dynamiska användningar. Om vi bryter ner de andra två dimensionerna av den mjuka magnetremsan, dvs vi använder de mjuka magnetiska legeringarna i form av pulver, kan virvelströmsförlusterna minskas ytterligare och komponenterna som tillverkas av vilka kan användas mycket högre frekvenser. För att förverkliga en sådan användning framställs först legeringspulvret (i de flesta fall genom finfördelningsmetoder), partiklarna bör sedan beläggas med ett isoleringsskikt, därefter blandas pulvren med en liten mängd smörjmedel och komprimeras med en intensiv tryck på 600-800 MPa till den slutliga formen. Mjuka magnetiska produkter tillverkade av sådana processer kallas Soft Magnetic Composites (SMC) eller pulverkärnor. En annan fördel med SMC är att de kan göras till olika specialformade kärnor som knappast tillverkas med traditionella lamineringsstaplingsmetoder, vilket gynnar ny design av elektromagnetiska enheter. Den största nackdelen med SMC är att deras permeabiliteter är relativt låga. Nuförtiden är de vanligaste SMC tillverkade av pulver av Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorfa och nanokristallina legeringar, etc.
Mjuka ferriter
Alla de mjuka magnetiska materialen som nämns ovan är metaller, därför kan virvelströmseffekten inte undvikas. Mjuka ferriter är utmärkande genom att de är joniska föreningar och har resistivitet som är flera storleksordningar högre än den för de metalliska mjuka magnetiska materialen. Därför, för applikationer med frekvenser upp till 1 MHz, är mjuka ferriter de bästa valen med avseende på energiförlusterna. Den största nackdelen för mjuka ferriter är att BS är relativt lågt. Två typer av de vanligaste mjuka ferriterna är Mn-Zn-ferriter ((Mn, Zn)Fe2O4) och Ni-Zn-ferriter ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn-ferriter används vanligtvis under 1 MHz, medan Ni-Zn-ferriter kan användas vid mycket högre frekvenser, men BS och permeabiliteten för de senare är lägre.
Sammanfattningsvis är mjuka magnetiska material känsliga för externa magnetfält, denna funktion gör dem oumbärliga för många applikationer, speciellt inom området för elektroteknik, såsom transformatorer, elmotorer, trådlösa laddare, kraftelektronik, etc. För en bra mjuk magnet dess mättnadsflödestäthet, permeabilitet, resistivitet och Curie-temperatur bör vara så hög som möjligt, medan dess koercitivitet och magnetostriktionskoefficient bör vara så låg som möjligt. Det finns ingen enskild typ av mjuka magnetiska material som kan slå alla andra i alla aspekter av prestanda. För att välja det mest lämpliga materialet måste en avvägning göras mellan kostnad, järnförlust, mättnadsflödestäthet och permeabilitet.
Järn och lågkolstål har utmärkt mättnadsflödestäthet, men deras resistiviteter är låga, vilket begränsar deras användning för dynamisk applikation. Olika legeringselement kan läggas till järn för att optimera dess magnetiska prestanda i vissa aspekter. Fe-Si-legeringar har mycket högre resistiviteter än rent järn och relativt höga mättnadsflödestätheter, de används ofta för transformatorer och elmotorer som drivs vid 50/60 Hz och tar den största delen av hela marknaden för mjukmagnetiska material. Fe-baserade amorfa legeringar presterar mycket bättre än Fe-Si-legeringar med avseende på järnförlusterna och kan användas vid högre frekvenser, men kostnaden är också högre. Fe-Co-legeringar har det högsta värdet av mättnadsflödestäthet. Med samma uteffekt/vridmoment kan de elektriska maskinerna tillverkade av Fe-Co-legeringar ha mindre storlek och mindre massa. Fe-Ni-legeringar, Co-baserade amorfa legeringar och Fe-baserade nanokristallina legeringar är de mjukaste magnetiska materialen, eftersom både värdena för magnetokristallin anisotropi och magnetostriktionskoefficient för dem kan ställas in till nära noll samtidigt. Bland dessa har Fe-baserade nanokristallina legeringar den högsta mättnadsflödestätheten, de är en typ av de mest lovande mjuka magnetiska materialen. SMC:er eller pulverkärnor kommer att prestera bättre vid högre frekvenser än de andra metalliska mjukmagnetiska materialen i form av tunn remsa eftersom partiklarna separeras av isolerande lager så virvelströmseffekten kan hämmas mycket. Nackdelarna med SMC är den låga permeabiliteten och den höga hysteresförlusten. Mjuka ferriter har resistiviteter som är flera storleksordningar högre än metalliska mjuka magnetiska material, som ett resultat är de för närvarande det bästa valet för driftfrekvenser nära eller över 1 MHz, men deras mättnadsflödestätheter är låga. Vissa specialister tror att mjuka ferriter i vissa tillämpningar kan ersättas av SMC för att minska storleken och massan på högfrekvensenheterna om bearbetningstekniken för SMC kan förbättras.
