Existem vários tipos de materiais magnéticos macios.
Ferro e aços de baixo carbono
Ferro e aços de baixo carbono podem ser os materiais magnéticos macios mais comuns e baratos. Eles têm um valor bastante alto de BS ~2,15 T, que é inferior apenas às caras ligas Fe-Co. Mas suas resistividades são bastante baixas, o que limita seu uso em aplicações dinâmicas. Ferro e aços de baixo carbono são geralmente usados para aplicações estáticas/de baixa frequência, como o núcleo de eletroímãs, relés e alguns motores de baixa potência para os quais o custo dos materiais é a principal preocupação.
Ligas de ferro-silício
A adição de um pouco de silício ao ferro aumentará notavelmente sua resistividade, portanto, é muito benéfica para inibir a perda de correntes parasitas. Apesar da ligeira diminuição da magnetização de saturação e da temperatura de Curie, as ligas Fe-Si são amplamente utilizadas em máquinas elétricas operando de 50 Hz a várias centenas de Hz. Para reduzir ainda mais a perda por correntes parasitas, as ligas de Fe-Si são frequentemente laminadas na forma de tiras finas. A espessura da liga Fe-Si mais comum é igual ou inferior a 0,35 mm. Dependendo das condições de laminação e tratamento térmico, a liga Fe-Si pode ser classificada como Grão Orientado (GO) e Não Orientado (NO). GO Fe-Si é usado para transformadores, enquanto NO Fe-Si é usado para motores elétricos.
Ligas de ferro-níquel
O níquel pode ser adicionado ao ferro para formar soluções sólidas uniformes em uma ampla faixa de composição de 35% em peso. % a 80 em peso. % Ni. As ligas com composição próxima de Fe20Ni80 foram denominadas Permalloy (hoje em dia as pessoas tendem a chamar de Permalloy todas as ligas de ferro-níquel com teor de níquel superior a 35% em peso). Conteúdo menor de outros elementos, como Mo, Cu e Cr, é geralmente adicionado para melhorar as propriedades magnéticas do Permalloy. Processado por delicado ajuste de composição e tratamento térmico, o Permalloy pode ser um dos materiais magnéticos mais macios do mundo, cuja permeabilidade pode chegar a 1 200 000. Uma das desvantagens do Permalloy é a sua magnetização de saturação, que é de apenas cerca de 0,8 T, muito inferior à das ligas de ferro e Fe-Si. Com a diminuição do teor de níquel, o BS aumentará primeiro, atingindo seu máximo de 1,6T em torno do teor de níquel de 48% em peso. %, entretanto, a permeabilidade não será tão boa quanto a de ligas com alto teor de níquel. A liga de ferro-níquel é a liga magnética mais versátil, suas propriedades magnéticas podem ser ajustadas ajustando a composição, recozimento magnético e laminação mecânica, etc. A liga de ferro-níquel também apresenta conformabilidade muito boa, que pode ser laminada até 20 mícrons. Como resultado, as ligas de níquel-ferro podem ser encontradas em amplas aplicações, como blindagem de campo magnético, interruptores de falha à terra, sensores magnéticos, cabeçotes de gravação para fitas magnéticas, eletrônica de potência, etc.
Ligas de ferro-cobalto
Adicionar cobalto ao ferro aumentará tanto a temperatura de Curie quanto o BS. Para teor de cobalto na faixa de 33% em peso. % a 50 em peso. %, o BS pode chegar a 2,4T. Embora não sejam tão macias quanto as ligas de ferro-níquel, as ligas de ferro-cobalto apresentam o maior valor de BS entre todas as outras ligas magnéticas. Para aumentar a conformabilidade, 2% em peso. % de vanádio é adicionado à liga Fe50Co50, para que ela possa ser enrolada até 50 mícrons. A adição de vanádio também pode aumentar a resistividade da liga ferro-cobalto. Devido ao mais alto BS, as ligas de ferro-cobalto são indispensáveis para aplicações onde a alta relação potência/peso é exigente, como motores e transformadores usados em dispositivos espaciais.
Ligas amorfas e nanocristalinas
Ligas amorfas, também frequentemente chamadas de vidros metálicos, podem ser produzidas por solidificação rápida. Não há ordem de longo alcance para os átomos em ligas amorfas, portanto, a resistividade é geralmente alta e não há anisotropia magnetocristalina. Além disso, fitas amorfas tão finas quanto cerca de 2{15}} a 30 mícrons podem ser facilmente produzidas por fundição de fluxo planar. Todos esses caracteres garantem que as ligas amorfas sejam excelentes candidatas a ímãs macios. De acordo com as composições, a maioria dos ímãs macios amorfos disponíveis comercialmente podem ser classificados como à base de Fe, Co-base e à base de (Fe, Ni). Para esses três tipos, o conteúdo total de Fe, Co e Ni é de cerca de 75-90% em peso, os remanescentes são metalóides e elementos formadores de vidro, como Si, B, P, C e Zr, Nb, Mo , etc. Entre esses tipos, o à base de Fe tem o maior BS de cerca de 1,6 T e o menor custo. A perda de ferro da liga amorfa à base de Fe é apenas um terço daquela do aço Fe-Si. Se o aço Fe-Si nos transformadores de potência puder ser substituído por uma liga amorfa à base de Fe, uma enorme quantidade de energia elétrica poderá ser economizada, mas o custo dos materiais para esta última é mais alto. Ligas amorfas co-baseadas geralmente têm BS inferior a 0,8 T, mas permeabilidade muito maior e valor próximo de zero de magnetostrição, que é comparável com o permalloy mais macio, e pode ter desempenho ainda melhor em frequências mais altas devido à sua maior resistividade. Ligas amorfas à base de (Fe, Ni) apresentam propriedades magnéticas médias em comparação com as outras duas.
O estado amorfo é um estado metaestável. Após aquecimento acima de uma temperatura crítica, a nucleação e o crescimento de microcristais ocorrem rapidamente. Para ligas magnéticas macias amorfas convencionais, durante a cristalização, o tamanho dos microcristais crescerá até várias centenas de nanômetros em um tempo muito curto e degenerará severamente as propriedades magnéticas moles. No entanto, as pessoas descobriram que pela adição de certa quantidade de Nb e Cu à liga amorfa à base de Fe, o processo de cristalização pode estar sob controle e uma distribuição uniforme de nanocristais com tamanho de cerca de 10 nm na matriz amorfa pode ser obtida. As propriedades magnéticas de tal liga nanocristalina à base de Fe são ainda mais macias do que a liga amorfa correspondente, ou seja, maior permeabilidade e menor coercividade, embora a BS também seja menor (~1,2 T). A fonte das excelentes propriedades magnéticas suaves para ligas nanocristalinas à base de Fe é que tanto o valor da anisotropia magnetocristalina quanto a magnetostrição podem ser ajustados para perto de zero. As ligas amorfas à base de Permalloy e Co também podem ter valor próximo de zero de anisotropia e magnetostrição magnetocristalina, mas o BS das ligas nanocristalinas à base de Fe é muito maior. Portanto, as ligas nanocristalinas podem ser um dos materiais magnéticos macios mais promissores. Eles são amplamente utilizados em carregadores sem fio, indutores de alta frequência, sensores magnéticos, blindagem eletromagnética, interruptores de falha à terra e assim por diante.
Compósitos magnéticos macios
Como mencionado antes, a espessura de materiais magnéticos macios desempenha um papel importante na redução de perdas por correntes parasitas, portanto, as ligas magnéticas macias devem ser feitas na forma de laminação fina para usos dinâmicos. Se quebrarmos as outras duas dimensões da tira magnética macia, ou seja, usarmos as ligas magnéticas macias na forma de pós, então as perdas por correntes parasitas podem ser ainda mais reduzidas, e os componentes feitos por elas podem ser usados em frequências muito mais altas. Para realizar tal utilização, os pós de liga são primeiro preparados (na maioria dos casos por métodos de atomização), as partículas devem ser revestidas com uma camada de isolamento, depois disso, os pós são misturados com uma pequena quantidade de lubrificante e comprimidos a uma pressão intensa de 600-800 MPa para a forma final. Produtos magnéticos macios feitos por tais processos são chamados de Soft Magnetic Composites (SMCs) ou núcleos de pó. Outro mérito dos SMCs é que eles podem ser feitos em vários núcleos especialmente moldados que dificilmente são feitos pelos métodos tradicionais de empilhamento de laminação, o que beneficia o design inovador de dispositivos eletromagnéticos. A principal desvantagem dos SMCs é que suas permeabilidades são relativamente baixas. Hoje em dia, os SMCs mais comuns são feitos por pós de Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, ligas amorfas e nanocristalinas, etc.
Ferrites moles
Todos os materiais magnéticos moles mencionados acima são metais, portanto, o efeito de corrente parasita não pode ser evitado. As ferritas moles são distintas por serem compostos iônicos e terem resistividade várias ordens de magnitude maior do que a dos materiais magnéticos moles metálicos. Portanto, para aplicações com frequência de até 1 MHz, as ferritas moles são as melhores escolhas com relação às perdas de energia. A principal desvantagem das ferritas moles é que o BS é relativamente baixo. Dois tipos de ferritas moles mais comuns são as ferritas Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) e as ferritas Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). As ferritas Mn-Zn são comumente usadas abaixo de 1 MHz, enquanto as ferritas Ni-Zn podem ser usadas em frequências muito mais altas, mas o BS e a permeabilidade para as últimas são menores.
Para concluir, materiais magnéticos macios são sensíveis a campos magnéticos externos, essa característica os torna indispensáveis para muitas aplicações, especialmente na área de engenharia elétrica, como transformadores, motores elétricos, carregadores sem fio, dispositivos eletrônicos de potência, etc. Para um bom ímã macio, sua densidade de fluxo de saturação, permeabilidade, resistividade e temperatura de Curie devem ser tão altas quanto possível, enquanto sua coercividade e coeficiente de magnetostrição devem ser tão baixos quanto possível. Não há um único tipo de material magnético macio que possa superar todos os outros em todos os aspectos de desempenho. Para escolher o material mais adequado, deve-se fazer uma troca entre custo, perda de ferro, densidade de fluxo de saturação e permeabilidade.
O ferro e os aços de baixo carbono possuem excelente densidade de fluxo de saturação, mas suas resistividades são baixas, limitando seu uso para aplicações dinâmicas. Vários elementos de liga podem ser adicionados ao ferro para otimizar seu desempenho magnético em certos aspectos. As ligas Fe-Si têm resistividades muito mais altas que o ferro puro e densidades de fluxo de saturação relativamente altas, são amplamente utilizadas para transformadores e motores elétricos operados a 50/60 Hz e ocupam a maior parte de todo o mercado de materiais magnéticos macios. As ligas amorfas à base de Fe têm um desempenho muito melhor que as ligas Fe-Si no que diz respeito às perdas de ferro e podem ser operadas em frequências mais altas, mas o custo também é mais elevado. As ligas Fe-Co apresentam o maior valor de densidade de fluxo de saturação. Com a mesma potência/torque de saída, as máquinas elétricas fabricadas com ligas Fe-Co podem ter tamanho menor e menos massa. Ligas de Fe-Ni, ligas amorfas à base de Co e ligas nanocristalinas à base de Fe são os materiais magnéticos mais macios, porque tanto os valores da anisotropia magnetocristalina quanto o coeficiente de magnetostrição para eles podem ser ajustados para perto de zero simultaneamente. Entre estas, as ligas nanocristalinas à base de Fe têm a maior densidade de fluxo de saturação, sendo um dos materiais magnéticos macios mais promissores. SMCs ou núcleos de pó terão melhor desempenho em frequências mais altas do que outros materiais magnéticos macios metálicos na forma de tira fina porque as partículas são separadas por camadas isolantes para que o efeito da corrente parasita possa ser muito inibido. As desvantagens dos SMCs são a baixa permeabilidade e a alta perda de histerese. As ferritas macias têm resistividades várias ordens de grandeza superiores às dos materiais magnéticos macios metálicos, como resultado, são por enquanto a melhor escolha para frequências de operação próximas ou acima de 1 MHz, mas suas densidades de fluxo de saturação são baixas. Alguns especialistas acreditam que em algumas aplicações as ferritas moles podem ser substituídas por SMCs para reduzir o tamanho e a massa dos dispositivos de alta frequência se a tecnologia de processamento dos SMCs puder ser melhorada.
