Наиболее простым и одним из самых дешевых магнитомягким сплавом является сталь. Известно, что сталь представляет собой сплав железа и углерода. В зависимости от концентрации углерода в сплаве возможно получение: низкоуглеродистой, углеродистой или высокоуглеродистой стали. Однако, при концентрации C > 2.14% получается чугун, который не является магнитным материалом. Для низкоуглеродистой стали концентрация углерода не превышает 0.25%:
Fe + < 2.14% C → низкоуглеродистая сталь.
Кремнистая электротехническая сталь.
В отличие от низкоуглеродистой стали в электротехническую сталь добавляют 1 – 5 % Si с целью повышения магнитных свойств, в том числе увеличения магнитной проницаемости, а также увеличения удельного сопротивления сплава:
Fe + < 2.14% C + (1 – 5) % Si → электротехническая сталь.
Пермаллои.
Данные материалы представляют собой сплавы Fe и Ni, легированные Mo, Cr, Cu, Si, Mn, Co и другими элементами:
Fe + (35 – 80) % Ni + (Mo, Cr, Cu, Si, Mn, Co и др.) → пермаллой.
Отличительной особенностью пермаллоев является более высокое значение относительной магнитной проницаемости μ ≈ 105, по сравнению со сталью. Также можно отдельно выделить сплав супермаллой, который имеет μ ≈ 106:
16% Fe + 79%Ni + 5% Mo → супермаллой.
Недостатком пермаллоев является большое содержание Ni, что сильно отражается на стоимости данных материалов.
Альсифер.
Данный материал является более дешевым сплавом с высокой магнитной проницаемостью μ ≈ 105:
5.5% Al + 9.5% Si + 85% Fe → альсифер.
Недостатком данного сплава является его хрупкость.
Магнитодиэлектрики.
Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы и магнитомягкого наполнителя. В качестве диэлектрической матрицы используются различные полимеры или керамика. В качестве магнитного наполнителя используются частицы вышеперечисленных материалов размером 1 – 100 мкм. Такие материалы обладают сравнительно небольшой магнитной проницаемостью μ ≈ 10 – 250, но более высоким удельным сопротивлением ρ ≥ 109 Ом∙м.
Магнитомягкие ферриты.
К магнитомягким ферритам относятся Mn – Zn, Ni – Zn, Li – Zn, Mg и другие ферриты. Отличие данных материалов в физических свойствах от магнитомягких ферромагнетиков описано выше.
Магнитомягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов. Из данных материалов изготавливаются сердечники трансформаторов и катушек индуктивности. Ферриты применяются в качестве элементов ВЧ фильтров. Также магнитомягкие материалы используются для экранирования от внешних магнитных полей.
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы – это материалы, способные длительное время сохранять магнитную энергию. Для них характерно значение коэрцитивной силы Hc ≥ 4 кА/м. Такие материалы сложно намагнитить и сложно размагнитить и их также называют постоянными магнитами. Магнитотвердые материалы принято характеризовать величиной коэрцитивной силы и значением плотности магнитной энергии Wm [кДж/м3], которое определяется выражением
, (2)
где H и B – напряженность магнитного поля и магнитная индукция внутри материала.
Обязательным этапом производства магнитотвердых материалов, в отличие от магнитомягких, является их намагничивание внешним магнитным полем. Намагничивание производится на последней стадии производства материала. При создании ферромагнитного сплава, его охлаждение осуществляют во внешнем магнитном поле. При создании магнитотвердых ферритов осуществляется спекание оксидов в магнитном поле. После создания окончательного изделия из магнитотвердого материала, его снова помещают во внешнее магнитное поле с целью насыщения магнитной энергией.
Углеродистая сталь.
Углеродистая сталь содержит 0.25 – 1 % С. Для улучшения электрических, магнитных и механических свойств добавляют легирующие добавки Mn, Cr, Si:
Fe + (0.25 – 1)% C + Mn, Cr, Si → углеродистая сталь.
Для углеродистой стали характерны значение Hc ≈ 15 кА/м и Wm ≈ 4 кДж/м3.
Сплавы.
Для получения магнитотвердых материалов широко используются сплавы на основе Al – Ni, Cu – Ni, Co + Fe и редкоземельных металлов:
Al + Ni + Cu + Fe → ални;
Al + Ni + Si + Cu + Fe → алниси;
Al + Ni + Co + Cu + Fe → алнико;
Cu + Ni + Co + Fe → кунифе;
Co + V + Fe → викаллой;
Sm + Co + (Fe, Cu, Zr) → самариево-кобальтовый сплав;
Nd + Fe + B + Co + Al → неодимовый сплав.
Сплавы на основе Al – Ni, Cu – Ni и Co + Fe имеют Hc = 40 – 150 кА/м и Wm до 80 кДж/м3. Наибольшими значениями коэрцитивной силы и плотности магнитной энергии обладают сплавы на основе редкоземельных металлов. Наибольшими значениями среди всех магнитотвердых материалов обладает неодимовый сплав: Hc = 880 кА/м и Wm = 320 кДж/м3.
Магнитотвердые ферриты.
К данному классу материалов относятся Ba и Ba-Sr ферриты. Магнитотвердые ферриты имеют параметры Hc = 240 кА/м и Wm = 30 кДж/м3.
Магнитотвердые материалы применяются в качестве постоянных магнитов в устройствах, где ввиду малых размеров элементов нет возможность использовать электромагниты.