Es gibt verschiedene Arten weichmagnetischer Materialien.
Eisen und kohlenstoffarme Stähle
Eisen und kohlenstoffarmer Stahl sind wahrscheinlich die gebräuchlichsten und günstigsten weichmagnetischen Materialien. Sie haben einen recht hohen BS-Wert von ~2,15 T, der nur den teuren Fe-Co-Legierungen unterlegen ist. Allerdings ist ihr spezifischer Widerstand eher niedrig, was ihre Verwendung in dynamischen Anwendungen einschränkt. Eisen und kohlenstoffarmer Stahl werden normalerweise für statische/niederfrequente Anwendungen verwendet, wie etwa für den Kern von Elektromagneten, Relais und einigen Motoren mit geringer Leistung, bei denen die Materialkosten das Hauptproblem darstellen.
Eisen-Silizium-Legierungen
Die Zugabe von etwas Silizium zum Eisen erhöht dessen spezifischen Widerstand deutlich und ist daher sehr hilfreich zur Verringerung von Wirbelstromverlusten. Trotz einer leichten Abnahme der Sättigungsmagnetisierung und der Curietemperatur werden Fe-Si-Legierungen häufig in elektrischen Maschinen verwendet, die mit 50 Hz bis mehreren Hundert Hz betrieben werden. Um die Wirbelstromverluste weiter zu verringern, werden Fe-Si-Legierungen häufig in Form dünner Streifen gewalzt. Die Dicke der gängigsten Fe-Si-Legierungen beträgt 0,35 mm oder weniger. Abhängig von den Bedingungen des Walzens und der Wärmebehandlung können Fe-Si-Legierungen als kornorientiert (GO) oder unorientiert (NO) eingeteilt werden. GO Fe-Si wird für Transformatoren verwendet, während NO Fe-Si für Elektromotoren verwendet wird.
Eisen-Nickel-Legierungen
Nickel kann Eisen zugesetzt werden, um gleichmäßige feste Lösungen in einem breiten Zusammensetzungsbereich von 35 Gew.-% bis 80 Gew.-% Ni zu bilden. Legierungen mit einer Zusammensetzung nahe Fe20Ni80 werden als Permalloy bezeichnet (heutzutage bezeichnet man alle Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelgehalt über 35 Gew.-% als Permalloy). Geringe Anteile anderer Elemente wie Mo, Cu und Cr werden üblicherweise zugesetzt, um die magnetischen Eigenschaften von Permalloy zu verbessern. Durch sorgfältige Anpassung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung kann Permalloy eines der weichsten magnetischen Materialien der Welt sein, dessen Permeabilität bis zu 1 200 000 betragen kann. Einer der Nachteile von Permalloys ist ihre Sättigungsmagnetisierung, die nur etwa 0,8 T beträgt und damit viel niedriger ist als die von Eisen- und Fe-Si-Legierungen. Mit abnehmendem Nickelgehalt steigt zunächst die BS an und erreicht ihr Maximum von 1,6 T bei einem Nickelgehalt von etwa 48 Gew.-%. %, allerdings ist die Permeabilität nicht so gut wie bei Legierungen mit hohem Nickelgehalt. Eisen-Nickel-Legierungen sind die vielseitigsten magnetischen Legierungen, ihre magnetischen Eigenschaften können durch Anpassung der Zusammensetzung, magnetisches Glühen und mechanisches Walzen usw. eingestellt werden. Eisen-Nickel-Legierungen weisen außerdem eine sehr gute Formbarkeit auf und können bis auf eine Dicke von 20 Mikrometern gewalzt werden. Daher finden Nickel-Eisen-Legierungen in vielen Anwendungen Verwendung, beispielsweise als Magnetfeldabschirmung, Fehlerstromschutzschalter, Magnetsensoren, Aufnahmeköpfe für Magnetbänder, Leistungselektronik usw.
Eisen-Kobalt-Legierungen
Die Zugabe von Kobalt zu Eisen erhöht sowohl die Curietemperatur als auch den BS. Bei einem Kobaltgehalt im Bereich von 33 Gew.-% bis 50 Gew.-% kann der BS-Wert bis zu 2,4 T betragen. Obwohl sie nicht so weich wie Eisen-Nickel-Legierungen sind, weisen Eisen-Kobalt-Legierungen den höchsten BS-Wert aller anderen magnetischen Legierungen auf. Um die Formbarkeit zu verbessern, werden der Fe50Co50-Legierung 2 Gew.-% Vanadium zugesetzt, sodass sie auf eine Dicke von bis zu 50 Mikrometern ausgewalzt werden kann. Die Zugabe von Vanadium kann auch den spezifischen Widerstand von Eisen-Kobalt-Legierungen erhöhen. Aufgrund des höchsten BS sind Eisen-Kobalt-Legierungen unverzichtbar für Anwendungen, bei denen ein hohes Leistungsgewichtsverhältnis erforderlich ist, wie z. B. Motoren und Transformatoren für Weltraumgeräte.
Amorphe und nanokristalline Legierungen
Amorphe Legierungen, häufig auch metallische Gläser genannt, können durch rasche Erstarrung hergestellt werden. In amorphen Legierungen gibt es keine Fernordnung der Atome, daher ist der spezifische Widerstand normalerweise hoch und es liegt keine magnetokristalline Anisotropie vor. Darüber hinaus können amorphe Bänder mit einer Dicke von etwa 20 bis 30 Mikrometern leicht durch Planar Flow Casting hergestellt werden. All diese Eigenschaften machen amorphe Legierungen zu hervorragenden Kandidaten für Weichmagnete. Nach ihrer Zusammensetzung können die meisten kommerziell erhältlichen amorphen Weichmagnete in Fe-Basis, Co-Basis und (Fe, Ni)-Basis eingeteilt werden. Bei diesen drei Typen beträgt der Gesamtgehalt an Fe, Co und Ni etwa 75-90 Gew. %, der Rest sind Halbmetalle und glasbildende Elemente wie Si, B, P, C und Zr, Nb, Mo usw. Von diesen Typen haben Fe-Basis den höchsten BS von etwa 1,6 T und die niedrigsten Kosten. Der Eisenverlust von amorphen Legierungen auf Fe-Basis beträgt nur ein Drittel des Eisenverlusts von Fe-Si-Stahl. Wenn der Fe-Si-Stahl in den Leistungstransformatoren durch amorphe Legierungen auf Fe-Basis ersetzt werden kann, lässt sich eine enorme Menge an elektrischer Energie einsparen, aber die Materialkosten für letztere sind höher. Amorphe Legierungen auf Co-Basis haben normalerweise eine BS von weniger als 0,8 T, aber eine viel höhere Permeabilität und einen Magnetostriktionswert nahe Null, was mit dem weichsten Permalloy vergleichbar ist, und können aufgrund ihres höheren Widerstands bei höheren Frequenzen sogar noch besser funktionieren. Amorphe Legierungen auf (Fe, Ni)-Basis weisen im Vergleich zu den beiden anderen mittlere magnetische Eigenschaften auf.
Der amorphe Zustand ist ein metastabiler Zustand. Bei Erhitzung über eine kritische Temperatur hinaus kommt es schnell zur Bildung von Mikrokristallen und ihrem Wachstum. Bei herkömmlichen amorphen weichmagnetischen Legierungen wächst die Größe der Mikrokristalle während der Kristallisation in sehr kurzer Zeit auf mehrere Hundert Nanometer an, was die weichmagnetischen Eigenschaften stark verschlechtert. Dennoch hat man herausgefunden, dass durch Zugabe einer bestimmten Menge Nb und Cu zu einer amorphen Legierung auf Fe-Basis der Kristallisationsprozess kontrolliert werden kann und eine gleichmäßige Verteilung von Nanokristallen mit einer Größe von etwa 10 nm in der amorphen Matrix erreicht werden kann. Die magnetischen Eigenschaften einer solchen nanokristallinen Legierung auf Fe-Basis sind sogar noch weicher als die der entsprechenden amorphen Legierung, d. h. sie weisen eine höhere Permeabilität und eine geringere Koerzitivfeldstärke auf, obwohl die BS ebenfalls niedriger ist (~1,2 T). Die Quelle der hervorragenden weichmagnetischen Eigenschaften von nanokristallinen Legierungen auf Fe-Basis liegt darin, dass sowohl der Wert der magnetokristallinen Anisotropie als auch der der Magnetostriktion auf nahezu Null eingestellt werden können. Permalloy und Co-basierte amorphe Legierungen können ebenfalls einen Wert nahe Null für magnetokristalline Anisotropie und Magnetostriktion aufweisen, aber der BS-Wert von Fe-basierten nanokristallinen Legierungen ist viel höher. Daher könnten nanokristalline Legierungen eines der vielversprechendsten weichmagnetischen Materialien sein. Sie werden häufig in kabellosen Ladegeräten, Hochfrequenzinduktoren, Magnetsensoren, elektromagnetischen Abschirmungen, Fehlerstromschutzschaltern usw. verwendet.
Weichmagnetische Verbundwerkstoffe
Wie bereits erwähnt, spielt die Dicke weichmagnetischer Materialien eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Wirbelstromverlusten. Daher sollten weichmagnetische Legierungen für dynamische Anwendungen in Form dünner Laminierungen hergestellt werden. Wenn wir die beiden anderen Dimensionen des weichmagnetischen Streifens zerlegen, d. h. die weichmagnetischen Legierungen in Pulverform verwenden, können die Wirbelstromverluste weiter reduziert werden und die daraus hergestellten Komponenten können bei viel höheren Frequenzen verwendet werden. Um eine solche Verwendung zu realisieren, werden zunächst die Legierungspulver hergestellt (in den meisten Fällen durch Zerstäubungsverfahren), die Partikel sollten dann mit einer Isolierschicht überzogen werden, danach werden die Pulver mit einer winzigen Menge Schmiermittel vermischt und bei einem hohen Druck von 600-800 MPa in die endgültige Form gepresst. Weichmagnetische Produkte, die mit solchen Verfahren hergestellt werden, werden als Soft Magnetic Composites (SMCs) oder Pulverkerne bezeichnet. Ein weiterer Vorteil von SMCs besteht darin, dass sie zu verschiedenen speziell geformten Kernen verarbeitet werden können, die mit den herkömmlichen Laminierungsstapelverfahren kaum hergestellt werden können, was für neuartige Designs elektromagnetischer Geräte von Vorteil ist. Der Hauptnachteil von SMCs besteht darin, dass ihre Permeabilität relativ gering ist. Heutzutage werden SMCs am häufigsten aus Pulvern von Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorphen und nanokristallinen Legierungen usw. hergestellt.
Weiche Ferrite
Alle oben genannten weichmagnetischen Materialien sind Metalle. Deshalb lässt sich der Wirbelstromeffekt nicht vermeiden. Weiche Ferrite zeichnen sich dadurch aus, dass sie ionische Verbindungen sind und einen um mehrere Größenordnungen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als metallische weichmagnetische Materialien. Deshalb sind Weichferrite im Hinblick auf Energieverluste für Anwendungen mit Frequenzen bis zu 1 MHz die beste Wahl. Der Hauptnachteil von Weichferriten besteht in ihrer relativ niedrigen BS. Die beiden gängigsten Weichferrite sind Mn-Zn-Ferrite ((Mn, Zn)Fe2O4) und Ni-Zn-Ferrite ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn-Ferrite werden üblicherweise unter 1 MHz verwendet, während Ni-Zn-Ferrite bei viel höheren Frequenzen eingesetzt werden können, aber die BS und die Permeabilität bei letzteren sind geringer.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weichmagnetische Materialien empfindlich auf externe Magnetfelder reagieren. Diese Eigenschaft macht sie für viele Anwendungen unverzichtbar, insbesondere im Bereich der Elektrotechnik, wie Transformatoren, Elektromotoren, kabellose Ladegeräte, Leistungselektronikgeräte usw. Bei einem guten Weichmagneten sollten Sättigungsflussdichte, Permeabilität, spezifischer Widerstand und Curietemperatur so hoch wie möglich sein, während Koerzitivfeldstärke und Magnetostriktionskoeffizient so niedrig wie möglich sein sollten. Es gibt keine einzige Art weichmagnetischer Materialien, die alle anderen in allen Leistungsaspekten übertreffen kann. Um das am besten geeignete Material auszuwählen, muss ein Kompromiss zwischen Kosten, Eisenverlust, Sättigungsflussdichte und Permeabilität eingegangen werden.
Eisen und kohlenstoffarmer Stahl haben eine ausgezeichnete Sättigungsflussdichte, aber ihre spezifischen Widerstände sind niedrig, was ihre Verwendung für dynamische Anwendungen einschränkt. Dem Eisen können verschiedene Legierungselemente zugesetzt werden, um seine magnetische Leistung in bestimmten Aspekten zu optimieren. Fe-Si-Legierungen haben einen viel höheren spezifischen Widerstand als reines Eisen und relativ hohe Sättigungsflussdichten. Sie werden häufig für Transformatoren und Elektromotoren verwendet, die mit 50/60 Hz betrieben werden, und nehmen den größten Teil des gesamten Marktes für weichmagnetische Materialien ein. Amorphe Legierungen auf Fe-Basis schneiden in Bezug auf die Eisenverluste viel besser ab als Fe-Si-Legierungen und können bei höheren Frequenzen betrieben werden, sind aber auch teurer. Fe-Co-Legierungen weisen den höchsten Wert der Sättigungsflussdichte auf. Bei gleicher Ausgangsleistung/gleichem Drehmoment können die aus Fe-Co-Legierungen hergestellten elektrischen Maschinen kleiner und leichter sein. Fe-Ni-Legierungen, amorphe Legierungen auf Co-Basis und nanokristalline Legierungen auf Fe-Basis sind die weichsten magnetischen Materialien, da sowohl die Werte der magnetokristallinen Anisotropie als auch der Magnetostriktionskoeffizient für sie gleichzeitig auf nahezu Null eingestellt werden können. Unter diesen haben nanokristalline Legierungen auf Fe-Basis die höchste Sättigungsflussdichte und gehören zu den vielversprechendsten weichmagnetischen Materialien. SMCs oder Pulverkerne zeigen bei höheren Frequenzen eine bessere Leistung als andere metallische weichmagnetische Materialien in Form dünner Streifen, da die Partikel durch Isolierschichten getrennt sind und so der Wirbelstromeffekt stark gehemmt werden kann. Die Nachteile von SMCs sind die niedrige Permeabilität und der hohe Hystereseverlust. Weiche Ferrite haben einen um mehrere Größenordnungen höheren spezifischen Widerstand als metallische weichmagnetische Materialien und sind daher derzeit die beste Wahl für Betriebsfrequenzen nahe oder über 1 MHz, aber ihre Sättigungsflussdichten sind niedrig. Einige Fachleute glauben, dass Weichferrite in einigen Anwendungen durch SMCs ersetzt werden könnten, um Größe und Masse von Hochfrequenzgeräten zu reduzieren, falls die Verarbeitungstechnologie für SMCs verbessert werden kann.
