مواد مغناطیسی نرم

کامپوزیت های مغناطیسی نرم
ضخامت مواد مغناطیسی نرم نقش مهمی در کاهش تلفات جریان گردابی دارد، بنابراین آلیاژهای مغناطیسی نرم باید به صورت لایه لایه نازک برای مصارف دینامیکی ساخته شوند. اگر دو بعد دیگر نوار مغناطیسی نرم را بشکنیم، یعنی از آلیاژهای مغناطیسی نرم به صورت پودر استفاده کنیم، تلفات جریان گردابی را می توان بیشتر کاهش داد و اجزای ساخته شده توسط آنها را می توان در سطوح بسیار بالاتر استفاده کرد. فرکانس ها برای تحقق چنین استفاده ای ابتدا پودرهای آلیاژی تهیه می شوند (در بیشتر موارد به روش اتمیزه کردن)، سپس ذرات باید با یک لایه عایق پوشانده شوند، سپس پودرها با مقدار کمی روان کننده مخلوط شده و با شدت فشرده فشرده می شوند. فشار 600-800 مگاپاسکال به شکل نهایی. محصولات مغناطیسی نرم ساخته شده توسط چنین فرآیندهایی، کامپوزیت های مغناطیسی نرم (SMCs) یا هسته های پودری نامیده می شوند. یکی دیگر از مزایای SMC ها این است که می توان آنها را به هسته های مختلف با شکل خاص تبدیل کرد که به سختی با روش های انباشته لایه بندی سنتی ساخته می شوند، که برای طراحی جدید دستگاه های الکترومغناطیسی مفید است. اشکال اصلی SMC ها این است که نفوذپذیری آنها نسبتاً کم است. امروزه رایج ترین SMC ها توسط پودرهای Fe، Fe-Si، Fe-Si-Al، Fe-Ni، آلیاژهای آمورف و نانوبلور و غیره ساخته می شوند.

فریت های نرم
تمام مواد مغناطیسی نرم ذکر شده در بالا فلز هستند، بنابراین نمی توان از اثر جریان گردابی اجتناب کرد. فریت های نرم از این جهت متمایز هستند که ترکیبات یونی هستند و دارای مقاومتی چندین مرتبه بالاتر از مقاومت مواد مغناطیسی نرم فلزی هستند. بنابراین، برای کاربردهایی با فرکانس تا 1 مگاهرتز، فریت های نرم بهترین انتخاب با توجه به تلفات انرژی هستند. اشکال اصلی برای فریت های نرم این است که BS نسبتاً پایین است. دو نوع از رایج‌ترین فریت‌های نرم عبارتند از: فریت‌های منگنز-روی ((Mn, Zn) Fe2O4) و فریت‌های Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). فریت های Mn-Zn معمولاً زیر 1 مگاهرتز استفاده می شوند، در حالی که فریت های Ni-Zn را می توان در فرکانس های بسیار بالاتر استفاده کرد، اما BS و نفوذپذیری برای دومی کمتر است.

آهن و فولادهای کم کربن
آهن و فولادهای کم کربن ممکن است رایج ترین و ارزان ترین مواد مغناطیسی نرم باشند. آنها دارای ارزش بسیار بالایی از BS ~ 2.15 T هستند که فقط از آلیاژهای گران قیمت Fe-Co پایین تر است. اما مقاومت آنها نسبتاً کم است که استفاده از آنها را در برنامه های پویا محدود می کند. آهن و فولادهای کم کربن معمولاً برای کاربردهای استاتیک/کم فرکانس، مانند هسته آهنربای الکتریکی، رله ها و برخی از موتورهای کم توان که هزینه مواد نگرانی اصلی آنهاست، استفاده می شود.

آلیاژهای آهن-سیلیکون
افزودن مقدار کمی سیلیکون به آهن، مقاومت آن را به طور قابل توجهی افزایش می دهد، بنابراین برای جلوگیری از اتلاف جریان گردابی بسیار مفید است. علیرغم کاهش اندکی مغناطش اشباع و دمای کوری، آلیاژهای Fe-Si به طور گسترده در ماشین‌های الکتریکی که از 5{4}} هرتز تا چند صد هرتز کار می‌کنند استفاده می‌شوند. برای کاهش بیشتر تلفات جریان گردابی، آلیاژهای Fe-Si اغلب به شکل نوارهای نازک نورد می شوند. ضخامت رایج ترین آلیاژ Fe-Si برابر یا کمتر از 0.35 میلی متر است. بسته به شرایط نورد و عملیات حرارتی، آلیاژ Fe-Si را می توان به دو دسته دانه گرا (GO) و غیر جهت دار (NO) طبقه بندی کرد. GO Fe-Si برای ترانسفورماتورها استفاده می شود، در حالی که NO Fe-Si برای موتورهای الکتریکی استفاده می شود.

آلیاژهای آهن نیکل
نیکل را می توان به آهن اضافه کرد تا محلول های جامد یکنواخت در محدوده ترکیبی وسیع 35 وزنی تشکیل دهد. % تا 8{7}} وزن. % Ni. آلیاژهایی با ترکیب نزدیک Fe20Ni80 به عنوان Permalloy نامگذاری شدند (امروزه مردم تمایل دارند همه آلیاژهای آهن نیکل را با محتوای نیکل بالاتر از 35 درصد وزنی به عنوان Permalloy می نامند). برای بهبود خواص مغناطیسی Permalloy معمولاً مقدار کمی از عناصر دیگر مانند Mo، Cu و Cr اضافه می شود. پرمالوی که با تنظیم ظریف ترکیب و عملیات حرارتی پردازش می‌شود، می‌تواند یکی از نرم‌ترین مواد مغناطیسی در جهان باشد که نفوذپذیری آن می‌تواند تا 1 200 000 باشد. یکی از معایب پرمالیاژها، مغناطیسی اشباع آنها است که تنها در حدود 0.8 T، بسیار کمتر از آهن و آلیاژهای Fe-Si است. با کاهش محتوای نیکل، BS ابتدا افزایش می یابد و در حدود 48 وزنی نیکل به حداکثر 1.6T می رسد. درصد، با این حال، نفوذپذیری به خوبی آلیاژهای با محتوای نیکل بالا نخواهد بود. آلیاژ آهن نیکل چند منظوره ترین آلیاژ مغناطیسی است، خواص مغناطیسی آن را می توان با تنظیم ترکیب، بازپخت مغناطیسی و نورد مکانیکی و غیره تنظیم کرد. آلیاژ آهن نیکل نیز شکل پذیری بسیار خوبی دارد که می تواند تا ضخامت 20 نورد شود. میکرون در نتیجه، آلیاژهای نیکل و آهن را می توان در کاربردهای گسترده ای مانند محافظ میدان مغناطیسی، قطع کننده خطای زمین، سنسورهای مغناطیسی، سر ضبط نوارهای مغناطیسی، الکترونیک قدرت و غیره یافت.

آلیاژهای آهن - کبالت
افزودن کبالت به آهن هم دمای کوری و هم BS را افزایش می دهد. برای محتوای کبالت در محدوده 33 وزنی. % تا 50 وزنی درصد، BS می تواند به 2.4T برسد. اگرچه به نرمی آلیاژ آهن- نیکل نیست، آلیاژهای آهن- کبالت بالاترین مقدار BS را در بین همه آلیاژهای مغناطیسی دیگر دارند. برای افزایش شکل پذیری 2 وزنی. درصد وانادیم به آلیاژ Fe50Co50 اضافه می‌شود، به طوری که می‌توان آن را تا ضخامت 50 میکرون فرود. افزودن وانادیوم همچنین می تواند مقاومت آلیاژ آهن- کبالت را افزایش دهد. با توجه به بالاترین BS، آلیاژهای آهن-کبالت برای کاربردهایی که نسبت توان به وزن بالا نیاز است، مانند موتورها و ترانسفورماتورهای مورد استفاده در دستگاه‌های فضایی ضروری هستند.

آلیاژهای آمورف و نانوبلور
آلیاژهای آمورف که اغلب شیشه های فلزی نیز نامیده می شوند، می توانند با انجماد سریع تولید شوند. هیچ ترتیب دوربردی برای اتم ها در آلیاژهای آمورف وجود ندارد، بنابراین، مقاومت معمولاً بالا است و هیچ ناهمسانگردی کریستالی مغناطیسی وجود ندارد. علاوه بر این، نوارهای آمورف به نازکی حدود 2{15}} تا 30 میکرون را می توان به راحتی با ریخته گری جریان مسطح تولید کرد. همه این کاراکترها آلیاژهای آمورف را تضمین می کنند که کاندیدای عالی برای آهنرباهای نرم باشند. با توجه به ترکیبات، بیشتر آهنرباهای نرم آمورف تجاری موجود را می توان به عنوان پایه Fe، Co-base و (Fe، Ni) طبقه بندی کرد. برای این سه نوع، محتوای کل آهن، کو، و نیکل حدود 75-90 وزن است، باقیمانده فلزات و عناصر تشکیل دهنده شیشه مانند Si، B، P، C، و Zr، Nb، Mo هستند. و غیره در بین این انواع، Fe-based دارای بالاترین BS در حدود 1.6 T و کمترین هزینه است. اتلاف آهن آلیاژ آمورف مبتنی بر آهن تنها یک سوم فولاد Fe-Si است. اگر بتوان فولاد Fe-Si در ترانسفورماتورهای قدرت را با آلیاژ آمورف پایه Fe جایگزین کرد، مقدار زیادی از توان الکتریکی را می توان صرفه جویی کرد، اما هزینه مواد برای دومی بیشتر است. آلیاژهای آمورف همپایه معمولاً دارای BS کمتر از 0.8 T هستند اما نفوذپذیری بسیار بالاتر و مقدار مغناطیسی نزدیک به صفر دارند که با نرم ترین آلیاژ دائمی قابل مقایسه است و به دلیل مقاومت بالاتر می تواند در فرکانس های بالاتر حتی بهتر عمل کند. آلیاژهای آمورف مبتنی بر (آهن، نیکل) دارای خواص مغناطیسی متوسطی در مقایسه با دو آلیاژ دیگر هستند.