Ada beberapa macam bahan magnet lunak.
Besi dan baja karbon rendah
Besi dan baja karbon rendah mungkin merupakan bahan magnet lunak yang paling umum dan termurah. Paduan ini mempunyai nilai BS ~2,15 T yang cukup tinggi, yang hanya kalah dengan paduan Fe-Co yang mahal. Namun resistivitasnya agak rendah, sehingga membatasi penggunaannya dalam aplikasi dinamis. Besi dan baja karbon rendah biasanya digunakan untuk aplikasi statis/frekuensi rendah, seperti inti elektromagnet, relay, dan beberapa motor berdaya rendah yang mana biaya bahan menjadi perhatian utama.
Paduan besi-silikon
Penambahan sedikit silikon pada besi akan meningkatkan resistivitasnya, oleh karena itu sangat bermanfaat dalam menghambat hilangnya arus eddy. Meskipun magnetisasi saturasi dan suhu Curie sedikit menurun, paduan Fe-Si banyak digunakan dalam mesin listrik yang beroperasi pada 50 Hz hingga beberapa ratus Hz. Untuk lebih mengurangi kehilangan arus eddy, paduan Fe-Si sering digulung menjadi bentuk strip tipis. Ketebalan paduan Fe-Si yang paling umum sama dengan atau kurang dari 0,35 mm. Tergantung pada kondisi penggulungan dan perlakuan panas, paduan Fe-Si dapat diklasifikasikan menjadi Berorientasi Butir (GO) dan Tidak Berorientasi (NO). GO Fe-Si digunakan untuk trafo, sedangkan NO Fe-Si digunakan untuk motor listrik.
Paduan besi-nikel
Nikel dapat ditambahkan ke besi untuk membentuk larutan padat yang seragam dalam rentang komposisi yang luas dari 35 wt. % hingga 80 wt. % Ni. Paduan dengan komposisi dekat Fe20Ni80 dinamakan sebagai Permalloy (saat ini orang cenderung menyebut semua paduan besi-nikel dengan kandungan nikel lebih tinggi dari 35 wt. % sebagai Permalloy). Kandungan minor dari unsur-unsur lain seperti Mo, Cu, dan Cr biasanya ditambahkan untuk meningkatkan sifat magnetik Permalloy. Diproses dengan penyesuaian komposisi dan perlakuan panas yang cermat, Permalloy dapat menjadi salah satu bahan magnetik paling lunak di dunia, yang permeabilitasnya dapat setinggi 1 200 000. Salah satu kelemahan Permalloy adalah magnetisasi saturasinya, yang hanya sekitar 0,8 T, jauh lebih rendah daripada besi dan paduan Fe-Si. Dengan penurunan kandungan nikel, BS akan meningkat terlebih dahulu, mencapai maksimumnya 1,6 T pada sekitar kandungan nikel 48 wt. %, namun, permeabilitasnya tidak akan sebaik paduan dengan kandungan nikel yang tinggi. Paduan besi-nikel merupakan paduan magnetik yang paling serbaguna, sifat magnetiknya dapat diatur dengan menyesuaikan komposisi, pemanasan magnetik, dan penggulungan mekanis, dll. Paduan besi-nikel juga memiliki kemampuan bentuk yang sangat baik, yang dapat digulung hingga setipis 20 mikron. Hasilnya, paduan nikel-besi dapat ditemukan dalam aplikasi yang luas seperti pelindung medan magnet, pemutus gangguan tanah, sensor magnetik, kepala perekam untuk pita magnetik, elektronika daya, dll.
Paduan besi-kobalt
Menambahkan kobalt ke besi akan meningkatkan suhu Curie dan BS. Untuk kandungan kobalt di kisaran 33 wt. % hingga 50 berat. %, BS bisa mencapai 2,4T. Meskipun tidak selembut paduan besi-nikel, paduan besi-kobalt mempunyai nilai BS tertinggi di antara semua paduan magnetik lainnya. Untuk meningkatkan sifat mampu bentuk, 2 berat. % vanadium ditambahkan ke paduan Fe50Co50, sehingga dapat digulung hingga setipis 50 mikron. Penambahan vanadium juga dapat meningkatkan resistivitas paduan besi-kobalt. Karena BS tertinggi, paduan besi-kobalt sangat diperlukan untuk aplikasi yang membutuhkan rasio daya terhadap berat yang tinggi, seperti motor dan transformator yang digunakan pada perangkat luar angkasa.
Paduan amorf dan nanokristalin
Paduan amorf, yang juga sering disebut kaca metalik, dapat diproduksi dengan pemadatan cepat. Tidak ada urutan jarak jauh untuk atom-atom dalam paduan amorf, oleh karena itu, resistivitasnya biasanya tinggi, dan tidak ada anisotropi magnetokristalin. Lebih jauh lagi, pita amorf setipis sekitar 20 hingga 30 mikron dapat dengan mudah diproduksi dengan pengecoran aliran planar. Semua karakter ini menjamin paduan amorf menjadi kandidat yang sangat baik untuk magnet lunak. Menurut komposisi, sebagian besar magnet lunak amorf yang tersedia secara komersial dapat diklasifikasikan sebagai berbasis Fe, berbasis Co, dan berbasis (Fe, Ni). Untuk ketiga jenis ini, total kandungan Fe, Co, dan Ni sekitar 75-90 wt.%, sisanya adalah metaloid dan elemen pembentuk kaca seperti Si, B, P, C, dan Zr, Nb, Mo, dll. Di antara jenis-jenis ini, berbasis Fe memiliki BS tertinggi sekitar 1,6 T dan biaya terendah. Kehilangan besi dari paduan amorf berbasis Fe hanya sepertiga dari baja Fe-Si. Jika baja Fe-Si dalam transformator daya dapat digantikan oleh paduan amorf berbasis Fe, sejumlah besar daya listrik dapat dihemat, tetapi biaya material untuk yang terakhir lebih tinggi. Paduan amorf berbasis co biasanya memiliki BS lebih rendah dari 0,8 T tetapi permeabilitas jauh lebih tinggi dan nilai magnetostriksi mendekati nol, yang sebanding dengan permalloy paling lunak, dan dapat bekerja lebih baik pada frekuensi yang lebih tinggi karena resistivitasnya yang lebih tinggi. Paduan amorf berbasis (Fe, Ni) menghadirkan sifat magnetik sedang dibandingkan dengan dua lainnya.
Keadaan amorf adalah keadaan metastabil. Setelah pemanasan di atas suhu kritis, nukleasi dan pertumbuhan mikrokristal terjadi dengan cepat. Untuk paduan magnet lunak amorf konvensional, selama kristalisasi, ukuran mikrokristal akan bertambah hingga beberapa ratus nanometer dalam waktu yang sangat singkat dan menurunkan sifat magnet lunak secara parah. Namun demikian, orang-orang menemukan bahwa dengan penambahan sejumlah Nb dan Cu ke paduan amorf berbasis Fe, proses kristalisasi dapat dikendalikan dan distribusi nanokristal yang seragam dengan ukuran sekitar 10 nm dalam matriks amorf dapat diperoleh. Sifat magnetis dari paduan nanokristalin berbasis Fe bahkan lebih lembut dibandingkan paduan amorf, yaitu permeabilitas lebih tinggi dan koersivitas lebih rendah, meskipun BS juga lebih rendah (~1,2 T). Sumber sifat magnet lunak yang sangat baik untuk paduan nanokristalin berbasis Fe adalah bahwa nilai anisotropi magneto-kristal dan magnetostriksi dapat disetel hingga mendekati nol. Paduan amorf berbasis Permalloy dan Co juga dapat memiliki nilai anisotropi magneto-kristalin dan magnetostriksi yang mendekati nol, tetapi BS dari paduan nanokristalin berbasis Fe jauh lebih tinggi. Oleh karena itu, paduan nanokristalin mungkin merupakan salah satu bahan magnetik lunak yang paling menjanjikan. Mereka banyak digunakan dalam pengisi daya nirkabel, induktor frekuensi tinggi, sensor magnetik, pelindung elektromagnetik, interupsi gangguan tanah, dan sebagainya.
Komposit magnetik lunak
Seperti disebutkan sebelumnya, ketebalan bahan magnet lunak berperan penting dalam mengurangi kehilangan arus eddy, sehingga paduan magnet lunak sebaiknya dibuat dalam bentuk laminasi tipis untuk penggunaan dinamis. Jika kita memecah dua dimensi lain dari strip magnet lunak, yaitu, kita menggunakan paduan magnet lunak dalam bentuk bubuk, maka kerugian arus eddy dapat lebih dikurangi, dan komponen yang dibuat dapat digunakan pada suhu yang jauh lebih tinggi. frekuensi. Untuk mewujudkan pemanfaatan tersebut, bubuk paduan terlebih dahulu disiapkan (dalam banyak kasus dengan metode atomisasi), partikel kemudian harus dilapisi dengan lapisan insulasi, setelah itu, bubuk tersebut dicampur dengan sedikit pelumas dan dikompresi dengan kecepatan tinggi. tekanan sebesar 600-800 MPa hingga bentuk akhir. Produk magnetik lunak yang dibuat dengan proses seperti itu disebut Soft Magnetic Composites (SMCs) atau inti bubuk. Kelebihan lain dari SMC adalah bahwa mereka dapat dibuat menjadi berbagai inti berbentuk khusus yang hampir tidak dibuat dengan metode penumpukan laminasi tradisional, sehingga bermanfaat untuk desain baru perangkat elektromagnetik. Kelemahan utama SMC adalah permeabilitasnya yang relatif rendah. Saat ini SMC yang paling umum dibuat dari bubuk Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, paduan amorf dan nanokristalin, dll.
ferit lunak
Semua bahan magnetik lunak yang disebutkan di atas adalah logam, oleh karena itu, efek arus eddy tidak dapat dihindari. Ferit lunak memiliki ciri khas karena merupakan senyawa ionik dan memiliki resistivitas beberapa kali lipat lebih tinggi daripada bahan magnetik lunak metalik. Oleh karena itu, untuk aplikasi dengan frekuensi hingga 1 MHz, ferit lunak merupakan pilihan terbaik berkenaan dengan kehilangan energi. Kelemahan utama ferit lunak adalah BS-nya relatif rendah. Dua jenis ferit lunak yang paling umum adalah ferit Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) dan ferit Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Ferit Mn-Zn umumnya digunakan di bawah 1 MHz, sedangkan ferit Ni-Zn dapat digunakan pada frekuensi yang jauh lebih tinggi, tetapi BS dan permeabilitas untuk yang terakhir lebih rendah.
Sebagai kesimpulan, bahan magnet lunak sensitif terhadap medan magnet eksternal, fitur ini membuatnya sangat diperlukan untuk banyak aplikasi terutama di bidang teknik listrik, seperti transformator, motor listrik, pengisi daya nirkabel, perangkat elektronik daya, dll. Untuk magnet lunak yang baik, kerapatan fluks saturasi, permeabilitas, resistivitas, dan suhu Curie harus setinggi mungkin, sedangkan koersivitas dan koefisien magnetostriksi harus serendah mungkin. Tidak ada satu jenis bahan magnet lunak yang dapat mengalahkan semua yang lain dalam semua aspek kinerja. Untuk memilih bahan yang paling cocok, harus dilakukan keseimbangan antara biaya, kehilangan besi, kerapatan fluks saturasi, dan permeabilitas.
Besi dan baja karbon rendah memiliki kerapatan fluks saturasi yang sangat baik, tetapi resistivitasnya rendah, sehingga membatasi penggunaannya untuk aplikasi dinamis. Berbagai elemen paduan dapat ditambahkan ke besi untuk mengoptimalkan kinerja magnetiknya dalam aspek tertentu. Paduan Fe-Si memiliki resistivitas yang jauh lebih tinggi daripada besi murni dan kerapatan fluks saturasi yang relatif tinggi, paduan ini banyak digunakan untuk transformator dan motor listrik yang dioperasikan pada 50/60 Hz dan mengambil bagian terbesar dari seluruh pasar bahan magnetik lunak. Paduan amorf berbasis Fe berkinerja jauh lebih baik daripada paduan Fe-Si sehubungan dengan kerugian besi dan dapat dioperasikan pada frekuensi yang lebih tinggi, tetapi biayanya juga lebih tinggi. Paduan Fe-Co menghadirkan nilai kerapatan fluks saturasi tertinggi. Dengan daya/torsi keluaran yang sama, mesin listrik yang dibuat oleh paduan Fe-Co dapat memiliki ukuran yang lebih kecil dan massa yang lebih sedikit. Paduan Fe-Ni, paduan amorf berbasis Co, dan paduan nanokristalin berbasis Fe merupakan material magnetik yang paling lunak, karena nilai anisotropi magneto-kristalin dan koefisien magnetostriksi keduanya dapat disetel mendekati nol secara bersamaan. Di antara semuanya, paduan nanokristalin berbasis Fe memiliki kerapatan fluks saturasi tertinggi, dan merupakan salah satu jenis material magnetik lunak yang paling menjanjikan. SMC atau inti serbuk akan bekerja lebih baik pada frekuensi yang lebih tinggi daripada material magnetik lunak metalik lainnya dalam bentuk strip tipis karena partikel dipisahkan oleh lapisan isolasi sehingga efek arus eddy dapat sangat dihambat. Kelemahan SMC adalah permeabilitas yang rendah dan rugi histeresis yang tinggi. Ferit lunak memiliki resistivitas beberapa kali lipat lebih tinggi daripada material magnetik lunak metalik, sebagai hasilnya, untuk saat ini SMC merupakan pilihan terbaik untuk frekuensi operasi di dekat atau di atas 1 MHz, tetapi kerapatan fluks saturasinya rendah. Beberapa spesialis percaya bahwa dalam beberapa aplikasi, ferit lunak dapat digantikan oleh SMC untuk mengurangi ukuran dan massa perangkat frekuensi tinggi jika teknologi pemrosesan untuk SMC dapat ditingkatkan.
