Esistono diversi tipi di materiali magnetici morbidi.
Ferro e acciai a basso tenore di carbonio
Il ferro e gli acciai a basso tenore di carbonio possono essere i materiali magnetici dolci più comuni ed economici. Hanno un valore piuttosto elevato di BS ~2,15 T, che è inferiore solo alle costose leghe Fe-Co. Ma la loro resistività è piuttosto bassa, il che ne limita l'utilizzo in applicazioni dinamiche. Il ferro e gli acciai a basso tenore di carbonio vengono solitamente utilizzati per applicazioni statiche/a bassa frequenza, come il nucleo di elettromagneti, relè e alcuni motori a bassa potenza per i quali il costo dei materiali rappresenta la principale preoccupazione.
Leghe ferro-silicio
L'aggiunta di una piccola quantità di silicio al ferro ne aumenterà notevolmente la resistività, pertanto è molto vantaggiosa per inibire la perdita di correnti parassite. Nonostante la leggera diminuzione della magnetizzazione di saturazione e della temperatura di Curie, le leghe Fe-Si sono ampiamente utilizzate nelle macchine elettriche funzionanti da 50 Hz a diverse centinaia di Hz. Per ridurre ulteriormente la perdita di correnti parassite, le leghe Fe-Si vengono spesso laminate sotto forma di strisce sottili. Lo spessore per la lega Fe-Si più comune è uguale o inferiore a 0,35 mm. A seconda delle condizioni di laminazione e trattamento termico, le leghe Fe-Si possono essere classificate come a grani orientati (GO) e non orientate (NO). GO Fe-Si viene utilizzato per i trasformatori, mentre NO Fe-Si viene utilizzato per i motori elettrici.
Leghe ferro-nichel
Il nichel può essere aggiunto al ferro per formare soluzioni solide uniformi in un'ampia gamma di composizione dal 35% in peso all'8% in peso di Ni. Le leghe con composizione vicina a Fe20Ni80 sono state chiamate Permalloy (oggigiorno le persone tendono a chiamare Permalloy tutte le leghe ferro-nichel con contenuto di nichel superiore al 35% in peso). Di solito vengono aggiunti contenuti minori di altri elementi come Mo, Cu e Cr per migliorare le proprietà magnetiche del Permalloy. Lavorato tramite una delicata regolazione della composizione e un trattamento termico, il Permalloy può essere uno dei materiali magnetici più morbidi al mondo, la cui permeabilità può arrivare fino a 1 200 000. Uno degli svantaggi dei Permalloy è la loro magnetizzazione di saturazione, che è solo di circa 0,8 T, molto inferiore a quella del ferro e delle leghe Fe-Si. Con la diminuzione del contenuto di nichel, il BS aumenterà per primo, raggiungendo i suoi massimi di 1,6 T a circa un contenuto di nichel del 48% in peso. %, tuttavia, la permeabilità non sarà buona come quella delle leghe con alto contenuto di nichel. La lega ferro-nichel è la lega magnetica più versatile, le sue proprietà magnetiche possono essere regolate regolando la composizione, la ricottura magnetica e la laminazione meccanica, ecc. La lega ferro-nichel presenta anche un'ottima formabilità, che può essere laminata fino a uno spessore di 20 micron. Di conseguenza, le leghe nichel-ferro possono essere trovate in ampie applicazioni come schermatura del campo magnetico, interruttore di guasto a terra, sensori magnetici, testina di registrazione per nastri magnetici, elettronica di potenza, ecc.
Leghe ferro-cobalto
L'aggiunta di cobalto al ferro aumenterà sia la temperatura di Curie che il BS. Per un contenuto di cobalto compreso tra il 33% in peso e il 50% in peso, il BS può arrivare fino a 2,4 T. Sebbene non siano morbide come la lega ferro-nichel, le leghe ferro-cobalto presentano il valore più alto di BS tra tutte le altre leghe magnetiche. Per aumentare la formabilità, alla lega Fe50Co50 viene aggiunto il 2% in peso di vanadio, in modo che possa essere laminata fino a uno spessore di 50 micron. L'aggiunta di vanadio può anche aumentare la resistività della lega ferro-cobalto. Grazie al BS più alto, le leghe ferro-cobalto sono indispensabili per applicazioni in cui è richiesto un elevato rapporto potenza/peso, come motori e trasformatori utilizzati in dispositivi spaziali.
Leghe amorfe e nanocristalline
Le leghe amorfe, spesso chiamate anche vetri metallici, possono essere prodotte tramite una rapida solidificazione. Non esiste un ordine a lungo raggio per gli atomi nelle leghe amorfe, quindi la resistività è solitamente elevata e non c'è anisotropia magnetocristallina. Inoltre, nastri amorfi sottili da circa 20 a 30 micron possono essere facilmente prodotti tramite fusione a flusso planare. Tutte queste caratteristiche garantiscono che le leghe amorfe siano eccellenti candidate per magneti morbidi. In base alle composizioni, la maggior parte dei magneti morbidi amorfi disponibili in commercio può essere classificata come base Fe, base Co e base (Fe, Ni). Per questi tre tipi, il contenuto totale di Fe, Co e Ni è di circa 75-90 wt.%, i rimanenti sono metalloidi ed elementi formanti vetro come Si, B, P, C e Zr, Nb, Mo, ecc. Tra questi tipi, quello a base Fe ha il BS più alto di circa 1,6 T e il costo più basso. La perdita di ferro della lega amorfa a base di Fe è solo un terzo di quella dell'acciaio Fe-Si. Se l'acciaio Fe-Si nei trasformatori di potenza può essere sostituito dalla lega amorfa a base di Fe, si può risparmiare un'enorme quantità di energia elettrica, ma il costo dei materiali per quest'ultima è più alto. Le leghe amorfe a base di Co hanno solitamente BS inferiore a 0,8 T ma una permeabilità molto più elevata e un valore di magnetostrizione prossimo allo zero, che è paragonabile al permalloy più morbido, e può funzionare anche meglio a frequenze più elevate grazie alla sua maggiore resistività. Le leghe amorfe a base di (Fe, Ni) presentano proprietà magnetiche medie rispetto alle altre due.
Lo stato amorfo è uno stato metastabile. Dopo il riscaldamento al di sopra di una temperatura critica, la nucleazione e la crescita dei microcristalli avvengono rapidamente. Per le leghe magnetiche dolci amorfe convenzionali, durante la cristallizzazione, la dimensione dei microcristalli crescerà fino a diverse centinaia di nanometri in un tempo molto breve e degenererà gravemente le proprietà magnetiche dolci. Tuttavia, è stato scoperto che aggiungendo una certa quantità di Nb e Cu alla lega amorfa a base di Fe, il processo di cristallizzazione può essere sotto controllo e si può ottenere una distribuzione uniforme di nanocristalli con dimensioni di circa 10 nm nella matrice amorfa. Le proprietà magnetiche di tale lega nanocristallina a base di Fe sono ancora più morbide rispetto alla corrispondente lega amorfa, ovvero maggiore permeabilità e minore coercività, sebbene anche il BS sia inferiore (~ 1,2 T). La fonte delle eccellenti proprietà magnetiche morbide delle leghe nanocristalline a base di Fe è che sia il valore dell'anisotropia magneto-cristallina che quello della magnetostrizione possono essere regolati quasi a zero. Le leghe amorfe a base di Permalloy e Co possono anche avere valori prossimi allo zero di anisotropia magnetocristallina e magnetostrizione, ma il BS delle leghe nanocristalline a base di Fe è molto più elevato. Pertanto, le leghe nanocristalline potrebbero essere uno dei materiali magnetici dolci più promettenti. Sono ampiamente utilizzati nei caricabatterie wireless, negli induttori ad alta frequenza, nei sensori magnetici, nella schermatura elettromagnetica, nell'interruttore di guasto a terra e così via.
Compositi magnetici morbidi
Come accennato in precedenza, lo spessore dei materiali magnetici dolci gioca un ruolo importante per ridurre le perdite per correnti parassite, quindi le leghe magnetiche dolci dovrebbero essere realizzate sotto forma di laminazione sottile per usi dinamici. Se scomponiamo le altre due dimensioni della banda magnetica dolce, cioè utilizziamo le leghe magnetiche dolci sotto forma di polveri, le perdite per correnti parassite possono essere ulteriormente ridotte e i componenti da cui sono costituiti possono essere utilizzati a un livello molto più elevato frequenze. Per realizzare tale utilizzo, le polveri di lega vengono prima preparate (nella maggior parte dei casi mediante metodi di atomizzazione), le particelle devono quindi essere rivestite con uno strato isolante, quindi le polveri vengono miscelate con una piccola quantità di lubrificante e compresse ad un'intensa pressione di 600-800 MPa nella forma finale. I prodotti magnetici morbidi realizzati mediante tali processi sono chiamati compositi magnetici morbidi (SMC) o nuclei in polvere. Un altro merito degli SMC è che possono essere trasformati in vari nuclei dalla forma speciale che difficilmente possono essere realizzati con i tradizionali metodi di impilamento della laminazione, il che avvantaggia la progettazione innovativa dei dispositivi elettromagnetici. Lo svantaggio principale delle SMC è che la loro permeabilità è relativamente bassa. Oggigiorno gli SMC più comuni sono costituiti da polveri di Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, leghe amorfe e nanocristalline, ecc.
Ferriti molli
Tutti i materiali magnetici dolci sopra menzionati sono metalli, pertanto l'effetto delle correnti parassite non può essere evitato. Le ferriti molli si distinguono in quanto sono composti ionici e hanno una resistività di diversi ordini di grandezza superiore a quella dei materiali magnetici dolci metallici. Pertanto, per applicazioni con frequenza fino a 1 MHz, le ferriti morbide sono la scelta migliore in termini di perdite di energia. Lo svantaggio principale delle ferriti morbide è che il BS è relativamente basso. Due tipi di ferriti morbide più comuni sono le ferriti Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) e le ferriti Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Le ferriti Mn-Zn sono comunemente utilizzate al di sotto di 1 MHz, mentre le ferriti Ni-Zn possono essere utilizzate a frequenze molto più elevate, ma il BS e la permeabilità per queste ultime sono inferiori.
Per concludere, i materiali magnetici morbidi sono sensibili ai campi magnetici esterni, questa caratteristica li rende indispensabili per molte applicazioni, in particolare nel campo dell'ingegneria elettrica, come trasformatori, motori elettrici, caricabatterie wireless, dispositivi elettronici di potenza, ecc. Per un buon magnete morbido, la sua densità di flusso di saturazione, permeabilità, resistività e temperatura di Curie dovrebbero essere il più alte possibile, mentre la sua coercitività e il coefficiente di magnetostrizione dovrebbero essere il più bassi possibile. Non esiste un singolo tipo di materiali magnetici morbidi che possa battere tutti gli altri in tutti gli aspetti delle prestazioni. Per scegliere il materiale più adatto, è necessario fare un compromesso tra costo, perdita di ferro, densità di flusso di saturazione e permeabilità.
Il ferro e gli acciai a basso tenore di carbonio hanno un'eccellente densità del flusso di saturazione, ma le loro resistività sono basse, limitandone l'utilizzo per applicazioni dinamiche. Vari elementi di lega possono essere aggiunti al ferro per ottimizzarne le prestazioni magnetiche sotto determinati aspetti. Le leghe Fe-Si hanno resistività molto più elevate rispetto al ferro puro e densità di flusso di saturazione relativamente elevate, sono ampiamente utilizzate per trasformatori e motori elettrici funzionanti a 50/60 Hz e occupano la maggior parte dell'intero mercato dei materiali magnetici dolci. Le leghe amorfe a base Fe hanno prestazioni molto migliori delle leghe Fe-Si per quanto riguarda le perdite di ferro e possono funzionare a frequenze più elevate, ma anche il costo è più elevato. Le leghe Fe-Co presentano il più alto valore di densità del flusso di saturazione. A parità di potenza/coppia erogata, le macchine elettriche realizzate con leghe Fe-Co possono avere dimensioni e massa inferiori. Le leghe Fe-Ni, le leghe amorfe a base di Co e le leghe nanocristalline a base di Fe sono i materiali magnetici più morbidi, perché entrambi i valori dell'anisotropia magneto-cristallina e del coefficiente di magnetostrizione per essi possono essere sintonizzati vicino allo zero contemporaneamente. Tra queste, le leghe nanocristalline a base di Fe hanno la più alta densità di flusso di saturazione e sono uno dei materiali magnetici morbidi più promettenti. Gli SMC o i nuclei in polvere funzioneranno meglio a frequenze più elevate rispetto agli altri materiali magnetici morbidi metallici sotto forma di striscia sottile perché le particelle sono separate da strati isolanti in modo che l'effetto delle correnti parassite possa essere molto inibito. Gli svantaggi degli SMC sono la bassa permeabilità e l'elevata perdita di isteresi. Le ferriti morbide hanno resistività di diversi ordini di grandezza superiori rispetto ai materiali magnetici dolci metallici, di conseguenza sono per ora la scelta migliore per frequenze operative vicine o superiori a 1 MHz, ma le loro densità di flusso di saturazione sono basse. Alcuni specialisti ritengono che in alcune applicazioni le ferriti molli possano essere sostituite da SMC per ridurre le dimensioni e la massa dei dispositivi ad alta frequenza se la tecnologia di elaborazione degli SMC può essere migliorata.
