חומרים מגנטיים רכים

ישנם מספר סוגים של חומרים מגנטיים רכים.

ברזל ופלדות דלת פחמן

ברזל ופלדות דלת פחמן עשויות להיות החומרים המגנטיים הרכים הנפוצים והזולים ביותר. יש להם ערך די גבוה של BS ~2.15 T, שהוא רק נחות מסגסוגות Fe-Co היקרות. אבל ההתנגדויות שלהם נמוכות למדי, מה שמגביל את השימוש בהן ביישומים דינמיים. ברזל ופלדות פחמן נמוכות משמשות בדרך כלל ליישומים סטטיים/תדרים נמוכים, כגון הליבה של אלקטרומגנט, ממסרים וכמה מנועים בהספק נמוך שעלות החומרים היא הדאגה העיקרית עבורם.

סגסוגות ברזל-סיליקון

תוספת של מעט סיליקון לברזל תגביר את ההתנגדות שלו במיוחד, לכן, מועילה מאוד לעיכוב אובדן זרם המערבולת. למרות ירידה קלה במגנטיזציית הרוויה ובטמפרטורת Curie, סגסוגות Fe-Si נמצאות בשימוש נרחב במכונות חשמליות הפועלות בין 50 הרץ לכמה מאות הרץ. כדי להפחית עוד יותר את אובדן זרם המערבולת, סגסוגות Fe-Si מגולגלות לרוב לצורת רצועות דקות. העובי של סגסוגת Fe-Si הנפוצה ביותר שווה או קטן מ-0.35 מ"מ. בהתאם לתנאי הגלגול והטיפול בחום, ניתן לסווג סגסוגת Fe-Si כ-Grain Oriented (GO) ו-Non-oriented (NO). GO Fe-Si משמש עבור שנאים, ואילו NO Fe-Si משמש למנועים חשמליים.

סגסוגות ברזל ניקל

ניתן להוסיף ניקל לברזל ליצירת תמיסות מוצקות אחידות בטווח הרכב רחב של 35 wt. % עד 80 משקל. % Ni. הסגסוגות בעלות הרכב ליד Fe20Ni80 נקראו פרמאללוי (כיום אנשים נוטים לקרוא לכל סגסוגת הברזל-ניקל עם תכולת ניקל גבוהה מ-35% משקל כ- Permalloy). תכולה קטנה של יסודות אחרים כמו Mo, Cu ו-Cr מתווספת בדרך כלל כדי לשפר את התכונות המגנטיות של Permalloy. מעובד על ידי התאמת הרכב עדין וטיפול בחום, Permalloy יכול להיות אחד החומרים המגנטיים הרכים ביותר בעולם, שחדירותו יכולה להגיע עד 1 200 000. אחד החסרונות של Permalloys הוא מגנט הרוויה שלהם, שהוא רק של כ-0.8 T, נמוך בהרבה מזה של ברזל וסגסוגות Fe-Si. עם ירידה בתכולת הניקל, BS יגדל ראשית, ויגיע למקסימום של 1.6T בסביבות תכולת ניקל של 48 Wt. %, לעומת זאת, החדירות לא תהיה טובה כמו סגסוגות עם תכולת ניקל גבוהה. סגסוגת ברזל-ניקל היא הסגסוגת המגנטית המגוונת ביותר, ניתן לכוון את התכונות המגנטיות שלה על ידי התאמת הרכב, חישול מגנטי וגלגול מכני וכו'. סגסוגת ברזל-ניקל מציגה גם יכולת צורה טובה מאוד, שניתן לגלגל עד דק עד 20 מיקרונים. כתוצאה מכך, ניתן למצוא סגסוגות ניקל-ברזל ביישומים רחבים כגון מיגון שדה מגנטי, מפסק תקלות הארקה, חיישנים מגנטיים, ראש הקלטה לקלטות מגנטיות, אלקטרוניקה כוח וכו'.

סגסוגות ברזל-קובלט

הוספת קובלט לברזל תגביר הן את טמפרטורת הקורי והן את ה-BS. עבור תכולת קובלט בטווח של 33 wt. % עד 50 משקל %, ה-BS יכול להגיע עד 2.4T. למרות שאינן רכות כמו סגסוגת ברזל ניקל, סגסוגות ברזל-קובלט מציגות את הערך הגבוה ביותר של BS מבין כל הסגסוגות המגנטיות האחרות. כדי להגביר את יכולת הצורה, 2 wt. אחוז ונדיום מתווסף לסגסוגת Fe50Co50, כך שניתן לגלגל אותה עד דק עד 50 מיקרון. תוספת של ונדיום יכולה גם להגביר את ההתנגדות של סגסוגת ברזל-קובלט. בשל ה-BS הגבוה ביותר, סגסוגות ברזל-קובלט הן הכרחיות עבור יישומים שבהם יחס הספק למשקל גבוה דורש, כגון מנועים ושנאים המשמשים במכשירי חלל.

סגסוגות אמורפיות וננו-גבישיות

ניתן לייצר סגסוגות אמורפיות, הנקראות לעתים קרובות גם זכוכית מתכתית, על ידי התמצקות מהירה. אין סדר ארוך טווח עבור האטומים בסגסוגות אמורפיות, לכן, ההתנגדות היא בדרך כלל גבוהה, ואין אניזוטרופיה מגנטוית גבישית. יתר על כן, ניתן לייצר בקלות סרטים אמורפיים דקים בסביבות 20 עד 30 מיקרון על ידי יציקת זרימה מישורית. כל הדמויות הללו מבטיחות שסגסוגות אמורפיות יהיו מועמדות מצוינות למגנטים רכים. על פי ההרכבים, ניתן לסווג את רוב המגנטים הרכים האמורפיים הזמינים באופן מסחרי כבסיסי Fe, Co-base ו-(Fe, Ni) מבוססי. עבור שלושת הסוגים הללו, התכולה הכוללת של Fe, Co ו-Ni היא בערך 75-90 משקל%, השאריות הן מטאלואידים ואלמנטים היוצרים זכוכית כגון Si, B, P, C, ו-Zr, Nb, Mo , וכו'. מבין הסוגים הללו, מבוסס Fe הוא בעל ה-BS הגבוה ביותר של כ-1.6 T והעלות הנמוכה ביותר. איבוד הברזל של סגסוגת אמורפית מבוססת Fe הוא רק שליש מזה של פלדת Fe-Si. אם ניתן להחליף את פלדת Fe-Si בשנאי הכוח בסגסוגת אמורפית על בסיס Fe, ניתן לחסוך כמות עצומה של חשמל, אך עלות החומרים עבור האחרון גבוהה יותר. לסגסוגות אמורפיות המבוססות על שיתוף פעולה יש בדרך כלל BS נמוך מ-0.8 T אך חדירות גבוהה בהרבה וערך כמעט אפס של מגנטוהיצרה, אשר ניתן להשוואה לפרמאללוי הרך ביותר, ויכולות להופיע אפילו טוב יותר בתדרים גבוהים יותר בשל ההתנגדות הגבוהה שלה. סגסוגות אמורפיות מבוססות (Fe, Ni) מציגות תכונות מגנטיות בינוניות בהשוואה לשתי האחרות.

מצב אמורפי הוא מצב גרורתי. עם חימום מעל טמפרטורה קריטית, גרעין וצמיחה של מיקרו-גבישים מתרחשים במהירות. עבור סגסוגות מגנטיות רכות אמורפיות קונבנציונליות, במהלך ההתגבשות, גודלם של מיקרו-גבישים יגדל לכמה מאות ננומטרים בזמן קצר מאוד ויתנוון בצורה חמורה את התכונות המגנטיות הרכות. אף על פי כן, אנשים גילו שעל ידי הוספת כמות מסוימת של Nb ו-Cu לסגסוגת אמורפית מבוססת Fe, תהליך ההתגבשות יכול להיות תחת שליטה וניתן להשיג חלוקה אחידה של ננו-גביש בגודל של כ-10 ננומטר במטריצה ​​האמורפית. התכונות המגנטיות של סגסוגת ננו-גבישית כזו על בסיס Fe הן אפילו רכות יותר מהסגסוגת האמורפית המקבילה, כלומר, חדירות גבוהה יותר וכפיות נמוכה יותר, אם כי גם ה-BS נמוך יותר (~1.2 T). המקור לתכונות המגנטיות הרכות המצוינות של סגסוגות ננו-גבישיות מבוססות-Fe הוא שניתן לכוונן גם את הערך של האניזוטרופיה המגנטו-גבישית וגם המגנטו-היצרות עד לאפס. סגסוגות אמורפיות מבוססות פרמאללוי וסגסוגות משותף יכולות להיות גם בעלות ערך כמעט אפסי של אניזוטרופיה מגנטו-גבישית ומגנטוסטריקציה, אבל ה-BS של סגסוגות ננו-גבישיות מבוססות Fe הוא הרבה יותר גבוה. לכן, סגסוגות ננו-גבישיות עשויות להיות אחד החומרים המגנטיים הרכים המבטיחים ביותר. הם נמצאים בשימוש נרחב במטען אלחוטי, משרן בתדר גבוה, חיישן מגנטי, מיגון אלקטרומגנטי, מפסק תקלות הארקה וכן הלאה.

חומרים מרוכבים מגנטיים רכים

כפי שצוין קודם, לעובי של חומרים מגנטיים רכים תפקיד חשוב להפחתת הפסדי זרם מערבולת, ולכן הסגסוגות המגנטיות הרכות צריכות להיעשות בצורה של למינציה דקה לשימושים דינמיים. אם נפרק את שני הממדים האחרים של הרצועה המגנטית הרכה, כלומר, נשתמש בסגסוגות המגנטיות הרכות בצורה של אבקות, אזי ניתן להפחית עוד יותר את הפסדי זרם המערבולת, וניתן להשתמש ברכיבים המיוצרים באמצעותם בהרבה יותר גבוה. תדרים. כדי לממש ניצול כזה, מכינים תחילה את אבקות הסגסוגת (ברוב המקרים בשיטות אטומיזציה), לאחר מכן יש לצפות את החלקיקים בשכבת בידוד, לאחר מכן מערבבים את האבקות עם כמות זעירה של חומר סיכה ודחוסים בעוצמה לחץ של 600-800 MPa לצורה הסופית. מוצרים מגנטיים רכים המיוצרים בתהליכים כאלה נקראים Soft Magnetic Composites (SMCs) או ליבות אבקה. יתרון נוסף של SMCs הוא שניתן להפוך אותם לליבות שונות בעיצוב מיוחד, שכמעט ולא מיוצרות בשיטות הערימה המסורתיות של למינציה, מה שמטיב עם עיצוב חדשני של מכשירים אלקטרומגנטיים. החיסרון העיקרי של SMCs הוא שהחדירות שלהם נמוכה יחסית. כיום ה-SMC הנפוצים ביותר מיוצרים על ידי אבקות של Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, סגסוגות אמורפיות וננו-גבישיות וכו'.

פריטים רכים

כל החומרים המגנטיים הרכים שהוזכרו לעיל הם מתכות, לכן לא ניתן להימנע מהשפעת זרם מערבולת. פריטים רכים בולטים בכך שהם תרכובות יוניות ובעלי התנגדות גבוהה בכמה סדרי גודל מזו של החומרים המגנטיים הרכים המתכתיים. לכן, עבור יישומים עם תדר של עד 1 מגה-הרץ, פריטים רכים הם הבחירות הטובות ביותר ביחס לאובדן האנרגיה. החיסרון העיקרי של פריטים רכים הוא שה-BS נמוך יחסית. שני סוגים של פריטים רכים הנפוצים ביותר הם Mn-Zn פריטים ((Mn, Zn)Fe2O4) ו-Ni-Zn פריטים ((Ni, Zn)Fe2O4). בדרך כלל משתמשים בפריטים של Mn-Zn מתחת ל-1 מגה-הרץ, בעוד שניתן להשתמש בפריטים של Ni-Zn בתדרים גבוהים בהרבה, אך ה-BS והחדירות עבור האחרונים נמוכים יותר.

לסיום, חומרים מגנטיים רכים רגישים לשדות מגנטיים חיצוניים, תכונה זו הופכת אותם לחיוניים עבור יישומים רבים במיוחד בתחום הנדסת החשמל, כגון שנאים, מנועים חשמליים, מטענים אלחוטיים, מכשירים אלקטרוניים כוחיים וכו'. עבור מגנט רך טוב. , צפיפות שטף הרוויה שלו, החדירות, ההתנגדות וטמפרטורת ה-Curie שלו צריכים להיות גבוהים ככל האפשר, בעוד שמקדם הכפייה והמגנטוסטיריון שלו צריכים להיות נמוכים ככל האפשר. אין סוג אחד של חומרים מגנטיים רכים שיכולים לנצח את כל האחרים בכל היבטי הביצועים. לבחירת החומר המתאים ביותר, יש לבצע פשרה בין עלות, אובדן ברזל, צפיפות שטף הרוויה וחדירות.

לברזל ולפלדות דל פחמן יש צפיפות שטף רוויה מצוינת, אך ההתנגדויות שלהן נמוכות, מה שמגביל את השימוש בהן ליישום דינמי. ניתן להוסיף אלמנטים סגסוגים שונים לברזל כדי לייעל את הביצועים המגנטיים שלו בהיבטים מסוימים. לסגסוגות Fe-Si יש התנגדויות גבוהות בהרבה מברזל טהור וצפיפות שטף רוויה גבוהה יחסית, הן נמצאות בשימוש נרחב עבור שנאים ומנועים חשמליים המופעלים ב-50/60 הרץ ותופסות את החלק הגדול ביותר בכל שוק החומרים המגנטיים הרכים. סגסוגות אמורפיות מבוססות Fe מתפקדות הרבה יותר מסגסוגות Fe-Si ביחס להפסדי הברזל וניתן להפעילן בתדרים גבוהים יותר, אך גם העלות גבוהה יותר. סגסוגות Fe-Co מציגות את הערך הגבוה ביותר של צפיפות שטף הרוויה. עם אותו הספק/מומנט פלט, המכונות החשמליות המיוצרות על ידי סגסוגות Fe-Co יכולות להיות בגודל קטן יותר ומסה פחותה. סגסוגות Fe-Ni, סגסוגות אמורפיות מבוססות Co וסגסוגות ננו-גבישיות על בסיס Fe הן החומרים המגנטיים הרכים ביותר, מכיוון שניתן לכוונן את הערכים של האניזוטרופיה המגנטו-גבישית ומקדם המגנטוסטי עבורם לאפס בו-זמנית. בין אלה, סגסוגות ננו-גבישיות על בסיס Fe בעלות צפיפות שטף הרוויה הגבוהה ביותר, הן סוג אחד מהחומרים המגנטיים הרכים המבטיחים ביותר. SMCs או ליבות אבקה יתפקדו טוב יותר בתדרים גבוהים יותר מהחומרים המגנטיים הרכים המתכתיים האחרים בצורת פס דק מכיוון שהחלקיקים מופרדים על ידי שכבות בידוד כך שניתן לעכב את אפקט זרם המערבולת הרבה. החסרונות של SMCs הם חדירות נמוכה ואובדן היסטרזיס גבוה. לפריטים רכים יש התנגדויות גבוהות בכמה סדרי גודל מחומרים מגנטיים רכים מתכתיים, כתוצאה מכך, הם כרגע הבחירה הטובה ביותר להפעלה של תדרים קרובים או מעל 1 מגה-הרץ, אך צפיפות שטף הרוויה שלהם נמוכה. חלק מהמומחים מאמינים כי ביישומים מסוימים עשויים פריטים רכים להיות מוחלפים ב-SMCs כדי להפחית את הגודל והמסה של התקנים בתדר גבוה אם ניתן לשפר את טכנולוגיית העיבוד של SMCs.