วัสดุแม่เหล็กอ่อน

วัสดุแม่เหล็กอ่อนมีอยู่หลายชนิด

เหล็กและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ

เหล็กและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำอาจเป็นวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่พบมากที่สุดและถูกที่สุด มีค่า BS ~2.15 T ค่อนข้างสูง ซึ่งด้อยกว่าโลหะผสม Fe-Co ที่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ความต้านทานค่อนข้างต่ำ ซึ่งทำให้จำกัดการใช้งานในการใช้งานแบบไดนามิก เหล็กและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมักจะใช้สำหรับการใช้งานที่มีความถี่คงที่/ความถี่ต่ำ เช่น แกนของแม่เหล็กไฟฟ้า รีเลย์ และมอเตอร์กำลังต่ำบางชนิดซึ่งคำนึงถึงต้นทุนวัสดุเป็นหลัก

โลหะผสมเหล็กซิลิกอน

การเติมซิลิคอนจำนวนหนึ่งลงในเหล็กจะช่วยเพิ่มความต้านทานได้อย่างมาก ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์อย่างมากในการยับยั้งการสูญเสียของกระแสไหลวน แม้ว่าการทำให้แม่เหล็กอิ่มตัวและอุณหภูมิคูรีลดลงเล็กน้อย แต่โลหะผสม Fe-Si ก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องจักรไฟฟ้าที่ทำงานที่ความถี่ตั้งแต่ 50 Hz ถึงหลายร้อย Hz เพื่อลดการสูญเสียกระแสไหลวนเพิ่มเติม อัลลอยด์ Fe-Si มักจะถูกรีดให้เป็นแถบบางๆ ความหนาของโลหะผสม Fe-Si ที่พบมากที่สุดคือเท่ากับหรือน้อยกว่า 0.35 มม. ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของการรีดและการบำบัดความร้อน โลหะผสม Fe-Si สามารถจำแนกได้เป็น Grain-Oriented (GO) และ Non-Oriented (NO) GO Fe-Si ใช้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า ในขณะที่ NO Fe-Si ใช้สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า

โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล

สามารถเติมนิกเกิลลงในเหล็กเพื่อสร้างสารละลายของแข็งที่สม่ำเสมอในช่วงองค์ประกอบกว้างๆ ที่ 35 น้ำหนัก % ถึง 80 น้ำหนัก % นิ โลหะผสมที่มีองค์ประกอบใกล้ Fe20Ni80 ถูกตั้งชื่อว่า Permalloy (ปัจจุบันผู้คนมักจะเรียกโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลทั้งหมดที่มีปริมาณนิกเกิลสูงกว่า 35 wt. % ว่า Permalloy) เนื้อหารองขององค์ประกอบอื่นๆ เช่น Mo, Cu และ Cr มักจะถูกเติมเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของ Permalloy ดำเนินการโดยการปรับองค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนและการบำบัดความร้อน Permalloy อาจเป็นหนึ่งในวัสดุแม่เหล็กที่อ่อนที่สุดในโลก โดยมีความสามารถในการซึมผ่านได้สูงถึง 1 200 000 ข้อเสียประการหนึ่งของ Permalloys ก็คือการทำให้แม่เหล็กอิ่มตัว ซึ่งมีประมาณ 0.8 T เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่าเหล็กและโลหะผสม Fe-Si มาก เมื่อปริมาณนิกเกิลลดลง BS จะเพิ่มขึ้นในขั้นแรก และถึงค่าสูงสุดที่ 1.6T ที่ปริมาณนิกเกิลประมาณ 48 wt อย่างไรก็ตาม % การซึมผ่านจะไม่ดีเท่ากับโลหะผสมที่มีปริมาณนิกเกิลสูง โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลเป็นโลหะผสมแม่เหล็กที่หลากหลายที่สุด สามารถปรับคุณสมบัติทางแม่เหล็กได้โดยการปรับองค์ประกอบ การหลอมด้วยแม่เหล็ก และการกลิ้งเชิงกล ฯลฯ โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลยังมีความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีมาก ซึ่งสามารถรีดลงไปให้บางได้ถึง 20 ไมครอน เป็นผลให้โลหะผสมนิกเกิล-เหล็กสามารถพบได้ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การป้องกันสนามแม่เหล็ก เครื่องขัดขวางความผิดปกติของกราวด์ เซ็นเซอร์แม่เหล็ก หัวบันทึกสำหรับเทปแม่เหล็ก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ฯลฯ

โลหะผสมเหล็กโคบอลต์

การเติมโคบอลต์ลงในเหล็กจะทำให้ทั้งอุณหภูมิคูรีและ BS เพิ่มขึ้น สำหรับปริมาณโคบอลต์ในช่วง 33 วัตต์ % ถึง 50 น้ำหนัก % BS สามารถสูงถึง 2.4T แม้ว่าจะไม่อ่อนตัวเท่ากับโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล แต่โลหะผสมของเหล็ก-โคบอลต์มีค่า BS สูงสุดในบรรดาโลหะผสมแม่เหล็กอื่นๆ ทั้งหมด เพื่อเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูป 2 wt. % ของวาเนเดียมถูกเติมลงในโลหะผสม Fe50Co50 เพื่อให้สามารถรีดให้บางได้ถึง 50 ไมครอน การเติมวาเนเดียมยังช่วยเพิ่มความต้านทานของโลหะผสมเหล็กโคบอลต์อีกด้วย เนื่องจากมีค่า BS สูงที่สุด โลหะผสมของเหล็ก-โคบอลต์จึงขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานที่ต้องการอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง เช่น มอเตอร์และหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้ในอุปกรณ์ในอวกาศ

โลหะผสมอสัณฐานและนาโนคริสตัลลีน

โลหะผสมอสัณฐานหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าแก้วโลหะสามารถผลิตได้โดยการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ไม่มีลำดับระยะไกลสำหรับอะตอมในโลหะผสมอสัณฐาน ดังนั้น ความต้านทานมักจะสูง และไม่มีแอนไอโซโทรปีของผลึกแมกนีโต นอกจากนี้ ริบบอนอสัณฐานที่บางประมาณ 20 ถึง 30 ไมครอนสามารถผลิตได้อย่างง่ายดายโดยการหล่อแบบระนาบ ลักษณะทั้งหมดนี้รับประกันว่าโลหะผสมอสัณฐานจะเป็นตัวเลือกที่ดีเยี่ยมสำหรับแม่เหล็กอ่อน ตามองค์ประกอบ แม่เหล็กอ่อนอสัณฐานที่มีจำหน่ายในท้องตลาดส่วนใหญ่สามารถจำแนกได้เป็น Fe-base, Co-base และ (Fe, Ni) สำหรับทั้งสามประเภทนี้ ปริมาณ Fe, Co และ Ni ทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 75-90 โดยน้ำหนัก% ส่วนที่เหลือคือโลหะและองค์ประกอบที่ขึ้นรูปแก้ว เช่น Si, B, P, C และ Zr, Nb, Mo ฯลฯ ในบรรดาประเภทเหล่านี้ Fe-based มี BS สูงสุดประมาณ 1.6 T และต้นทุนต่ำสุด การสูญเสียธาตุเหล็กของโลหะผสมอสัณฐานที่มี Fe เป็นเพียงหนึ่งในสามของการสูญเสียเหล็ก Fe-Si หากสามารถเปลี่ยนเหล็ก Fe-Si ในหม้อแปลงไฟฟ้าด้วยโลหะผสมอสัณฐาน Fe-base ได้ จะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้มหาศาล แต่ต้นทุนวัสดุสำหรับอย่างหลังจะสูงกว่า โลหะผสมอสัณฐานร่วมมักจะมี BS ต่ำกว่า 0.8 T แต่มีความสามารถในการซึมผ่านสูงกว่ามากและมีค่าแมกนีโตริกชันใกล้ศูนย์ ซึ่งเทียบได้กับเพอร์มัลลอยที่นิ่มที่สุด และสามารถทำงานได้ดีขึ้นที่ความถี่สูงกว่าเนื่องจากมีความต้านทานสูงกว่า โลหะผสมอสัณฐานที่มีพื้นฐานเป็น Fe (Fe, Ni) มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กปานกลางเมื่อเทียบกับอีกสองชนิด

สถานะอะมอร์ฟัสคือสถานะกึ่งเสถียร เมื่อถูกความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต การเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของไมโครคริสตัลจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว สำหรับโลหะผสมแม่เหล็กอ่อนอะมอร์ฟัสทั่วไป ในระหว่างการตกผลึก ขนาดของไมโครคริสตัลจะเติบโตขึ้นถึงหลายร้อยนาโนเมตรในเวลาอันสั้นมาก และทำให้คุณสมบัติแม่เหล็กอ่อนเสื่อมลงอย่างรุนแรง อย่างไรก็ตาม ผู้คนพบว่าการเติม Nb และ Cu ในปริมาณหนึ่งลงในโลหะผสมอะมอร์ฟัสที่มีฐานเป็น Fe ช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการตกผลึกได้ และจะได้การกระจายตัวของนาโนคริสตัลที่มีขนาดประมาณ 10 นาโนเมตรในเมทริกซ์อะมอร์ฟัสอย่างสม่ำเสมอ คุณสมบัติทางแม่เหล็กของโลหะผสมนาโนคริสตัลที่มีฐานเป็น Fe ดังกล่าวจะอ่อนกว่าโลหะผสมอะมอร์ฟัสที่เกี่ยวข้องด้วยซ้ำ กล่าวคือ มีความสามารถในการซึมผ่านได้สูงกว่าและแรงบีบบังคับต่ำกว่า แม้ว่าค่า BS จะต่ำกว่า (~1.2 T) ก็ตาม แหล่งที่มาของคุณสมบัติแม่เหล็กอ่อนที่ยอดเยี่ยมสำหรับโลหะผสมนาโนคริสตัลที่มีฐานเป็น Fe ก็คือ สามารถปรับค่าแอนไอโซทรอปีของแมกนีโตคริสตัลและแมกนีโตสตริกชันให้ใกล้เคียงศูนย์ได้ โลหะผสมอสัณฐานแบบ Permalloy และ Co-based อาจมีค่าแอนไอโซทรอปีและแมกนีโตสตริกชันที่ใกล้ศูนย์ได้เช่นกัน แต่ค่า BS ของโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์ที่มี Fe-based จะสูงกว่ามาก ดังนั้น โลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์จึงอาจเป็นหนึ่งในวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่มีแนวโน้มมากที่สุด โดยโลหะผสมเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องชาร์จไร้สาย ตัวเหนี่ยวนำความถี่สูง เซ็นเซอร์แม่เหล็ก การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องตัดไฟรั่ว และอื่นๆ

คอมโพสิตแม่เหล็กอ่อน

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความหนาของวัสดุแม่เหล็กอ่อนมีบทบาทสำคัญในการลดการสูญเสียกระแสไหลวน ดังนั้นโลหะผสมแม่เหล็กอ่อนควรทำในรูปแบบของการเคลือบบางสำหรับการใช้งานแบบไดนามิก หากเราแยกอีกสองมิติของแถบแม่เหล็กอ่อน กล่าวคือ เราใช้โลหะผสมแม่เหล็กอ่อนในรูปของผง ดังนั้นการสูญเสียกระแสลมหมุนจะลดลงอีก และส่วนประกอบที่ทำขึ้นนั้นสามารถใช้งานได้ในระดับที่สูงกว่ามาก ความถี่ เพื่อให้ตระหนักถึงการใช้งานดังกล่าว ผงโลหะผสมจะถูกเตรียมก่อน (ในกรณีส่วนใหญ่โดยวิธีการทำให้เป็นละออง) จากนั้นอนุภาคควรถูกเคลือบด้วยชั้นฉนวน หลังจากนั้น ผงจะถูกผสมกับสารหล่อลื่นจำนวนเล็กน้อยและบีบอัดที่ความเข้มข้น ความดัน 600-800 MPa ถึงรูปร่างสุดท้าย ผลิตภัณฑ์แม่เหล็กอ่อนที่ทำโดยกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า Soft Magnetic Composites (SMCs) หรือแกนผง ข้อดีอีกประการหนึ่งของ SMC ก็คือสามารถผลิตเป็นแกนที่มีรูปทรงพิเศษต่างๆ ได้ ซึ่งแทบจะไม่เคยทำด้วยวิธีการเคลือบซ้อนกันแบบเดิมๆ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าแบบใหม่ ข้อเสียเปรียบหลักของ SMC ก็คือความสามารถในการซึมผ่านค่อนข้างต่ำ ปัจจุบัน SMC ที่พบมากที่สุดทำจากผงของ Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, โลหะผสมอสัณฐานและนาโนคริสตัลไลน์ ฯลฯ

เฟอร์ไรต์อ่อน

วัสดุแม่เหล็กอ่อนทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นโลหะ ดังนั้นจึงไม่สามารถหลีกเลี่ยงผลกระทบจากกระแสไหลวนได้ เฟอร์ไรต์อ่อนมีความโดดเด่นตรงที่เป็นสารประกอบไอออนิกและมีความต้านทานไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่เป็นโลหะหลายขนาด ดังนั้น สำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงถึง 1 MHz เฟอร์ไรต์แบบอ่อนจึงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการสูญเสียพลังงาน ข้อเสียเปรียบหลักสำหรับเฟอร์ไรต์แบบอ่อนคือ BS ค่อนข้างต่ำ เฟอร์ไรต์อ่อนที่พบมากที่สุดสองชนิดคือเฟอร์ไรต์ Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) และเฟอร์ไรต์ Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4) โดยทั่วไปแล้วเฟอร์ไรต์ Mn-Zn จะใช้ความถี่ต่ำกว่า 1 MHz ในขณะที่เฟอร์ไรต์ Ni-Zn สามารถใช้ที่ความถี่ที่สูงกว่ามาก แต่ BS และความสามารถในการซึมผ่านของเฟอร์ไรต์อย่างหลังนั้นต่ำกว่า

โดยสรุป วัสดุแม่เหล็กอ่อนมีความไวต่อสนามแม่เหล็กภายนอก คุณสมบัตินี้ทำให้ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานหลายอย่างโดยเฉพาะในด้านวิศวกรรมไฟฟ้า เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องชาร์จไร้สาย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เป็นต้น สำหรับแม่เหล็กอ่อนที่ดี ความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัว ความสามารถในการซึมผ่าน ความต้านทาน และอุณหภูมิคูรีควรสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การบีบบังคับและแมกนีโตสตริกชันควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ไม่มีวัสดุแม่เหล็กอ่อนชนิดเดียวที่สามารถเอาชนะวัสดุแม่เหล็กอื่นๆ ได้ในทุกด้านของประสิทธิภาพ ในการเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุด จะต้องแลกระหว่างต้นทุน การสูญเสียธาตุเหล็ก ความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัว และความสามารถในการซึมผ่าน

เหล็กและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัวที่ดีเยี่ยม แต่มีความต้านทานต่ำ ทำให้การใช้งานแบบไดนามิกจำกัด ธาตุผสมต่างๆ สามารถเติมลงในเหล็กเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางแม่เหล็กในบางด้าน โลหะผสม Fe-Si มีความต้านทานสูงกว่าเหล็กบริสุทธิ์มากและมีความหนาแน่นฟลักซ์อิ่มตัวค่อนข้างสูง โลหะผสมเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับหม้อแปลงและมอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำงานที่ 50/60 Hz และเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดของตลาดวัสดุแม่เหล็กอ่อนทั้งหมด โลหะผสมอสัณฐานที่มี Fe ทำงานได้ดีกว่าโลหะผสม Fe-Si มากเมื่อเทียบกับการสูญเสียธาตุเหล็ก และสามารถดำเนินการที่ความถี่สูงกว่า แต่ต้นทุนก็สูงกว่าเช่นกัน โลหะผสม Fe-Co แสดงค่าความหนาแน่นฟลักซ์อิ่มตัวสูงสุด ด้วยกำลังเอาท์พุต/แรงบิดเท่ากัน เครื่องจักรไฟฟ้าที่ผลิตจากโลหะผสม Fe-Co อาจมีขนาดที่เล็กกว่าและมีมวลน้อยลง โลหะผสม Fe-Ni โลหะผสมอสัณฐานร่วม และโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์ที่มี Fe เป็นวัสดุแม่เหล็กที่อ่อนที่สุด เนื่องจากทั้งค่าของแอนไอโซโทรปีของแมกนีโตคริสตัลไลน์และสัมประสิทธิ์แมกนีโตสตริกชันของพวกมันสามารถปรับให้ใกล้ศูนย์พร้อมกันได้ โลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์ที่ใช้ Fe มีความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัวสูงที่สุด และเป็นวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่มีแนวโน้มมากที่สุดชนิดหนึ่ง SMC หรือแกนผงจะทำงานได้ดีกว่าที่ความถี่สูงกว่าวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่เป็นโลหะอื่นๆ ในรูปแบบของแถบบางๆ เนื่องจากอนุภาคถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวน จึงสามารถยับยั้งผลกระทบจากกระแสไหลวนได้มาก ข้อเสียของ SMC คือความสามารถในการซึมผ่านต่ำและการสูญเสียฮิสเทรีซีสสูง เฟอร์ไรต์แบบอ่อนมีความต้านทานที่มีขนาดสูงกว่าวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่เป็นโลหะหลายระดับ ด้วยเหตุนี้ เฟอร์ไรต์เหล่านี้จึงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับความถี่การทำงานที่ใกล้หรือสูงกว่า 1 MHz แต่ความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวของพวกมันต่ำ ผู้เชี่ยวชาญบางคนเชื่อว่าในบางการใช้งาน ซอฟต์เฟอร์ไรต์อาจถูกแทนที่ด้วย SMC เพื่อลดขนาดและมวลของอุปกรณ์ความถี่สูง หากสามารถปรับปรุงเทคโนโลยีการประมวลผลสำหรับ SMC ได้