Existuje několik druhů měkkých magnetických materiálů.
Železo a nízkouhlíkové oceli
Železo a nízkouhlíkové oceli mohou být nejběžnější a nejlevnější měkké magnetické materiály. Mají poměrně vysokou hodnotu BS ~2,15 T, což je pouze horší než u drahých slitin Fe-Co. Ale jejich odpory jsou poměrně nízké, což omezuje jejich použití v dynamických aplikacích. Železo a nízkouhlíkové oceli se obvykle používají pro statické/nízkofrekvenční aplikace, jako je jádro elektromagnetu, relé a některé motory s nízkým výkonem, u nichž je hlavním problémem cena materiálu.
Slitiny železa a křemíku
Přidání několika málo křemíku do železa výrazně zvýší jeho měrný odpor, a proto je velmi prospěšné pro inhibici ztráty vířivými proudy. Přes mírný pokles saturační magnetizace a Curieovy teploty jsou slitiny Fe-Si široce používány v elektrických strojích pracujících od 50 Hz do několika stovek Hz. Pro další snížení ztrát vířivými proudy jsou slitiny Fe-Si často válcovány do podoby tenkých pásků. Tloušťka nejběžnější slitiny Fe-Si je rovna nebo menší než 0,35 mm. V závislosti na podmínkách válcování a tepelného zpracování lze slitinu Fe-Si klasifikovat jako orientovanou na zrno (GO) a neorientovanou (NO). GO Fe-Si se používá pro transformátory, zatímco NO Fe-Si se používá pro elektromotory.
Slitiny železa a niklu
Nikl může být přidán k železu za vzniku jednotných pevných roztoků v širokém rozmezí složení 35 hmotn. % až 80 hm. % Ni. Slitiny se složením blízkým Fe20Ni80 byly pojmenovány jako Permalloy (dnes mají lidé tendenci nazývat všechny slitiny železa a niklu s obsahem niklu vyšším než 35 % hm. jako Permalloy). Pro zlepšení magnetických vlastností permalloy se obvykle přidává menší obsah dalších prvků, jako je Mo, Cu a Cr. Díky jemné úpravě složení a tepelnému zpracování může být Permalloy jedním z nejměkčích magnetických materiálů na světě, jehož propustnost může dosahovat až 1 200 000. Jednou z nevýhod Permalloys je jejich saturační magnetizace, která je pouze asi 0,8 T, mnohem nižší než u železa a slitin Fe-Si. S poklesem obsahu niklu se bude nejprve zvyšovat BS, dosáhne maxima 1,6T při obsahu niklu kolem 48 hm. %, propustnost však nebude tak dobrá jako u slitin s vysokým obsahem niklu. Slitina železa a niklu je nejuniverzálnější magnetická slitina, její magnetické vlastnosti lze vyladit úpravou složení, magnetickým žíháním, mechanickým válcováním atd. Slitina železa a niklu se také vyznačuje velmi dobrou tvarovatelností, kterou lze válcovat až na tloušťku 20 mikronů. Díky tomu lze slitiny niklu a železa nalézt v širokých aplikacích, jako je stínění magnetického pole, přerušovač zemního spojení, magnetické senzory, záznamová hlava pro magnetické pásky, výkonová elektronika atd.
Slitiny železa a kobaltu
Přidání kobaltu do železa zvýší jak Curieho teplotu, tak BS. Pro obsah kobaltu v rozmezí 33 hm. až 50 % hmotn. %, BS může být až 2,4T. Ačkoli nejsou tak měkké jako slitina železa a niklu, slitiny železa a kobaltu představují nejvyšší hodnotu BS ze všech ostatních magnetických slitin. Pro zvýšení tvařitelnosti se 2 hm. % vanadu se přidává do slitiny Fe50Co50, takže může být válcována až na tloušťku 50 mikronů. Přídavek vanadu může také zvýšit měrný odpor slitiny železa a kobaltu. Vzhledem k nejvyšší BS jsou slitiny železa a kobaltu nepostradatelné pro aplikace, kde je náročný poměr výkonu k hmotnosti, jako jsou motory a transformátory používané v kosmických zařízeních.
Amorfní a nanokrystalické slitiny
Amorfní slitiny, také často nazývané kovová skla, lze vyrábět rychlým tuhnutím. V amorfních slitinách neexistuje řád pro atomy na dlouhé vzdálenosti, proto je měrný odpor obvykle vysoký a neexistuje žádná magnetokrystalická anizotropie. Kromě toho lze amorfní pásky o tloušťce přibližně 20 až 30 mikronů snadno vyrábět litím s rovinným prouděním. Všechny tyto znaky zaručují, že amorfní slitiny jsou vynikajícími kandidáty na měkké magnety. Podle složení lze většinu komerčně dostupných amorfních měkkých magnetů klasifikovat jako na bázi Fe, Co-base a (Fe, Ni) na bázi. U těchto tří typů je celkový obsah Fe, Co a Ni asi 75-90 hm. %, remanentní jsou metaloidy a sklotvorné prvky jako Si, B, P, C a Zr, Nb, Mo atd. Mezi těmito typy má Fe na bázi nejvyšší BS, přibližně 1,6 T a nejnižší cenu. Ztráta železa u amorfní slitiny na bázi Fe je pouze třetinová ve srovnání s ocelí Fe-Si. Pokud lze ocel Fe-Si ve výkonových transformátorech nahradit amorfní slitinou na bázi Fe, lze ušetřit obrovské množství elektrické energie, ale náklady na materiál jsou vyšší. Amorfní slitiny na bázi kobaltu mají obvykle BS nižší než 0,8 T, ale mnohem vyšší permeabilitu a blízkou nulovou hodnotu magnetostrikce, která je srovnatelná s nejměkčí permalloy a může fungovat ještě lépe při vyšších frekvencích díky vyššímu odporu. Amorfní slitiny na bázi (Fe, Ni) vykazují střední magnetické vlastnosti ve srovnání s ostatními dvěma.
Amorfní stav je metastabilní stav. Při zahřátí nad kritickou teplotu probíhá rychle nukleace a růst mikrokrystalů. U konvenčních amorfních magneticky měkkých slitin během krystalizace velikost mikrokrystalů naroste ve velmi krátké době až na několik stovek nanometrů a silně zdegeneruje měkké magnetické vlastnosti. Přesto lidé zjistili, že přidáním určitého množství Nb a Cu do amorfní slitiny na bázi Fe lze proces krystalizace pod kontrolou a lze dosáhnout rovnoměrné distribuce nanokrystalu o velikosti asi 10 nm v amorfní matrici. Magnetické vlastnosti takové nanokrystalické slitiny na bázi Fe jsou dokonce měkčí než u odpovídající amorfní slitiny, tj. vyšší permeabilita a nižší koercivita, i když BS je také nižší (~1,2 T). Zdrojem vynikajících měkce magnetických vlastností nanokrystalických slitin na bázi Fe je to, že jak hodnotu magnetokrystalické anizotropie, tak magnetostrikce lze vyladit téměř na nulu. Amorfní slitiny na bázi permalloy a Co mohou mít také téměř nulovou hodnotu magnetokrystalické anizotropie a magnetostrikce, ale BS nanokrystalických slitin na bázi Fe je mnohem vyšší. Proto mohou být nanokrystalické slitiny jedním z nejslibnějších měkkých magnetických materiálů. Jsou široce používány v bezdrátové nabíječce, vysokofrekvenční induktoru, magnetickém senzoru, elektromagnetickém stínění, přerušovači zemního spojení a tak dále.
Měkké magnetické kompozity
Jak již bylo zmíněno, tloušťka měkkých magnetických materiálů hraje důležitou roli při snižování ztrát vířivými proudy, proto by měly být měkké magnetické slitiny vyrobeny ve formě tenké laminace pro dynamické použití. Pokud rozebereme další dva rozměry měkkého magnetického proužku, tj. použijeme měkké magnetické slitiny ve formě prášků, lze ztráty vířivými proudy dále snížit a komponenty, kterými jsou vyrobeny, lze použít s mnohem vyšší frekvence. Pro realizaci takového využití se nejprve připraví slitinové prášky (ve většině případů atomizačními metodami), částice se poté potáhnou izolační vrstvou, poté se prášky smíchají s malým množstvím lubrikantu a intenzivně se slisují. tlakem 600-800 MPa do konečného tvaru. Měkké magnetické produkty vyrobené takovými procesy se nazývají měkké magnetické kompozity (SMC) nebo prášková jádra. Další předností SMC je to, že z nich lze vyrobit různá speciálně tvarovaná jádra, která se jen stěží vyrábějí tradičními metodami vrstvení, což je výhodné pro nový design elektromagnetických zařízení. Hlavní nevýhodou SMC je, že jejich propustnost je relativně nízká. V současnosti jsou nejběžnější SMC vyráběny z prášků Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorfních a nanokrystalických slitin atd.
Měkké ferity
Všechny výše uvedené měkké magnetické materiály jsou kovy, proto se nelze vyhnout efektu vířivých proudů. Měkké ferity se vyznačují tím, že jsou to iontové sloučeniny a mají měrný odpor o několik řádů vyšší než kovové měkce magnetické materiály. Proto jsou pro aplikace s frekvencí do 1 MHz nejlepší volbou měkké ferity s ohledem na energetické ztráty. Hlavní nevýhodou měkkých feritů je, že BS je relativně nízká. Dva druhy nejběžnějších měkkých feritů jsou ferity Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) a ferity Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn ferity se běžně používají pod 1 MHz, zatímco Ni-Zn ferity mohou být použity na mnohem vyšších frekvencích, ale BS a propustnost jsou nižší.
Závěrem lze říci, že měkké magnetické materiály jsou citlivé na vnější magnetická pole, tato vlastnost je činí nepostradatelnými pro mnoho aplikací, zejména v oblasti elektrotechniky, jako jsou transformátory, elektromotory, bezdrátové nabíječky, výkonová elektronika atd. Pro dobrý měkký magnet jeho hustota saturačního toku, permeabilita, měrný odpor a Curieova teplota by měly být co nejvyšší, zatímco jeho koercivita a magnetostrikční koeficient by měly být co nejnižší. Neexistuje jediný druh měkkých magnetických materiálů, které by mohly porazit všechny ostatní ve všech aspektech výkonu. Pro výběr nejvhodnějšího materiálu je třeba provést kompromis mezi cenou, ztrátou železa, hustotou saturačního toku a propustností.
Železo a nízkouhlíkové oceli mají vynikající hustotu toku nasycení, ale jejich odpory jsou nízké, což omezuje jejich použití pro dynamické aplikace. Do železa lze přidávat různé legující prvky, aby se v určitých aspektech optimalizovaly jeho magnetické vlastnosti. Slitiny Fe-Si mají mnohem vyšší měrný odpor než čisté železo a relativně vysoké hustoty toku nasycení, jsou široce používány pro transformátory a elektromotory provozované při 50/60 Hz a zaujímají největší část celého trhu s měkkými magnetickými materiály. Amorfní slitiny na bázi Fe se chovají mnohem lépe než slitiny Fe-Si s ohledem na ztráty železa a mohou být provozovány při vyšších frekvencích, ale náklady jsou také vyšší. Slitiny Fe-Co mají nejvyšší hodnotu hustoty toku nasycení. Se stejným výstupním výkonem/točivým momentem mohou mít elektrické stroje vyrobené ze slitin Fe-Co menší rozměry a menší hmotnost. Slitiny Fe-Ni, amorfní slitiny na bázi Co a nanokrystalické slitiny na bázi Fe jsou nejměkčími magnetickými materiály, protože jak hodnoty magnetokrystalické anizotropie, tak magnetostrikčního koeficientu u nich mohou být vyladěny téměř na nulu současně. Mezi nimi mají nanokrystalické slitiny na bázi Fe nejvyšší hustotu saturačního toku, jsou jedním z nejslibnějších měkce magnetických materiálů. SMC nebo prášková jádra budou fungovat lépe při vyšších frekvencích než jiné kovové měkce magnetické materiály ve formě tenkého proužku, protože částice jsou odděleny izolačními vrstvami, takže efekt vířivých proudů může být hodně inhibován. Nevýhodou SMC je nízká propustnost a vysoká hysterezní ztráta. Měkké ferity mají měrný odpor o několik řádů vyšší než kovové měkké magnetické materiály, v důsledku toho jsou prozatím nejlepší volbou pro provozní frekvence blízké nebo vyšší než 1 MHz, ale jejich hustoty saturačního toku jsou nízké. Někteří specialisté se domnívají, že v některých aplikacích mohou být měkké ferity nahrazeny SMC, aby se zmenšila velikost a hmotnost vysokofrekvenčních zařízení, pokud lze zlepšit technologii zpracování pro SMC.
