नरम चुंबकीय सामग्री

नरम चुंबकीय पदार्थ कई प्रकार के होते हैं।

लोहा और कम कार्बन स्टील

लोहा और कम कार्बन स्टील सबसे आम और सबसे सस्ते नरम चुंबकीय पदार्थ हो सकते हैं। इनका BS ~2.15 T का मान काफी ऊंचा है, जो महंगे Fe-Co मिश्रधातुओं से ही कम है। लेकिन उनकी प्रतिरोधकता अपेक्षाकृत कम है, जो गतिशील अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सीमित करती है। लोहा और कम कार्बन स्टील का उपयोग आमतौर पर स्थिर/कम आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है, जैसे कि विद्युत चुंबक, रिले और कुछ कम शक्ति वाली मोटरों का कोर जिसके लिए सामग्री की लागत प्रमुख चिंता का विषय है।

लोहा-सिलिकॉन मिश्र धातु

लोहे में थोड़ा सा सिलिकॉन मिलाने से इसकी प्रतिरोधकता उल्लेखनीय रूप से बढ़ जाती है, इसलिए यह भंवर धारा हानि को रोकने के लिए बहुत फायदेमंद है। संतृप्ति चुंबकत्व और क्यूरी तापमान में थोड़ी कमी के बावजूद, Fe-Si मिश्रधातुओं का उपयोग 50 हर्ट्ज से लेकर कई सौ हर्ट्ज तक की गति पर चलने वाली इलेक्ट्रिक मशीनों में व्यापक रूप से किया जाता है। भंवर धारा हानि को और कम करने के लिए, Fe-Si मिश्रधातुओं को अक्सर पतली पट्टियों के रूप में रोल किया जाता है। सबसे आम Fe-Si मिश्रधातु की मोटाई 0.35 मिमी के बराबर या उससे कम होती है। रोलिंग और ताप उपचार की स्थितियों के आधार पर, Fe-Si मिश्रधातु को ग्रेन-ओरिएंटेड (GO) और नॉन-ओरिएंटेड (NO) के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। GO Fe-Si का उपयोग ट्रांसफार्मर के लिए किया जाता है, जबकि NO Fe-Si का उपयोग इलेक्ट्रिक मोटरों के लिए किया जाता है।

लौह-निकल मिश्र धातु

निकल को लोहे में मिलाकर एक समान ठोस घोल बनाया जा सकता है, जिसमें 35 wt. % से 80 wt. % Ni की व्यापक संरचना रेंज हो सकती है। Fe20Ni80 के करीब संरचना वाले मिश्रधातुओं को पर्मालॉय नाम दिया गया था (आजकल लोग 35 wt. % से अधिक निकल सामग्री वाले सभी लोहा-निकल मिश्रधातु को पर्मालॉय कहते हैं)। पर्मालॉय के चुंबकीय गुणों को बेहतर बनाने के लिए आमतौर पर Mo, Cu, और Cr जैसे अन्य तत्वों की मामूली सामग्री डाली जाती है। नाजुक संरचना समायोजन और ताप उपचार द्वारा संसाधित, पर्मालॉय दुनिया में सबसे नरम चुंबकीय सामग्री में से एक हो सकता है, जिसकी पारगम्यता 1 200 000 जितनी अधिक हो सकती है। पर्मालॉय की एक खामी उनका संतृप्ति चुंबकत्व है निकेल की मात्रा में कमी के साथ, BS सबसे पहले बढ़ेगा, 48 wt. % निकेल की मात्रा के आसपास 1.6T के अपने अधिकतम तक पहुँच जाएगा, हालाँकि, पारगम्यता उच्च निकेल सामग्री वाले मिश्रधातुओं जितनी अच्छी नहीं होगी। आयरन-निकेल मिश्रधातु सबसे बहुमुखी चुंबकीय मिश्रधातु है, इसकी चुंबकीय विशेषताओं को संरचना, चुंबकीय एनीलिंग और यांत्रिक रोलिंग आदि को समायोजित करके ट्यून किया जा सकता है। आयरन-निकेल मिश्रधातु भी बहुत अच्छी रूप-रेखा प्रस्तुत करती है, जिसे 20 माइक्रोन जितना पतला रोल किया जा सकता है। नतीजतन, निकेल-आयरन मिश्रधातु चुंबकीय क्षेत्र परिरक्षण, ग्राउंड फॉल्ट इंटरप्टर, चुंबकीय सेंसर, चुंबकीय टेप के लिए रिकॉर्डिंग हेड, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स आदि जैसे व्यापक अनुप्रयोगों में पाई जा सकती है।

लौह-कोबाल्ट मिश्र धातु

लोहे में कोबाल्ट मिलाने से क्यूरी तापमान और BS दोनों बढ़ जाएंगे। 33 wt. % से 50 wt. % की सीमा में कोबाल्ट सामग्री के लिए, BS 2.4T जितना अधिक हो सकता है। हालांकि लोहा-निकल मिश्र धातु जितना नरम नहीं, लोहा-कोबाल्ट मिश्र धातु सभी अन्य चुंबकीय मिश्र धातुओं के बीच BS का उच्चतम मूल्य प्रस्तुत करते हैं। आकार देने की क्षमता बढ़ाने के लिए, Fe50Co50 मिश्र धातु में 2 wt. % वैनेडियम मिलाया जाता है, ताकि इसे 50 माइक्रोन जितना पतला किया जा सके। वैनेडियम मिलाने से लोहा-कोबाल्ट मिश्र धातु की प्रतिरोधकता भी बढ़ सकती है। उच्चतम BS के कारण, लोहा-कोबाल्ट मिश्र धातु ऐसे अनुप्रयोगों के लिए अपरिहार्य हैं जहाँ उच्च शक्ति से वजन अनुपात की मांग होती है, जैसे कि अंतरिक्ष में इस्तेमाल होने वाले उपकरणों में इस्तेमाल होने वाले मोटर और ट्रांसफार्मर।

अनाकार और नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातु

अनाकार मिश्रधातु, जिसे अक्सर धातु का गिलास भी कहा जाता है, तेजी से ठोसकरण द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। अनाकार मिश्रधातु में परमाणुओं के लिए कोई लंबी दूरी का क्रम नहीं होता है, इसलिए, प्रतिरोधकता आमतौर पर अधिक होती है, और कोई मैग्नेटो क्रिस्टलीय अनिसोट्रॉपी नहीं होती है। इसके अलावा, लगभग 20 से 30 माइक्रोन तक पतले अनाकार रिबन को प्लेनर फ्लो कास्टिंग द्वारा आसानी से उत्पादित किया जा सकता है। ये सभी गुण अनाकार मिश्रधातुओं को नरम चुम्बकों के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार होने की गारंटी देते हैं। रचनाओं के अनुसार, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अधिकांश अनाकार नरम चुम्बकों को Fe-आधार, Co-आधार और (Fe, Ni)-आधारित के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। इन तीन प्रकारों के लिए, Fe, Co, और Ni की कुल सामग्री लगभग 75-90 wt.% है, शेष धातु और कांच बनाने वाले तत्व जैसे Si, B, P, C, और Zr, Nb, Mo, आदि हैं। इन प्रकारों में, Fe-आधारित में लगभग 1.6 T का उच्चतम BS और सबसे कम लागत है। Fe-आधारित अनाकार मिश्र धातु में लौह की हानि Fe-Si स्टील की तुलना में केवल एक तिहाई है। यदि बिजली ट्रांसफार्मर में Fe-Si स्टील को Fe-आधारित अनाकार मिश्र धातु से बदला जा सकता है, तो बिजली की एक बड़ी मात्रा को बचाया जा सकता है, लेकिन बाद के लिए सामग्री की लागत अधिक है। Co-आधारित अनाकार मिश्र धातुओं में आमतौर पर BS 0.8 T से कम होता है, लेकिन बहुत अधिक पारगम्यता और मैग्नेटोस्ट्रिक्शन का लगभग शून्य मान होता है, जो सबसे नरम पर्मलॉय के साथ तुलनीय है, और इसकी उच्च प्रतिरोधकता के कारण उच्च आवृत्तियों पर भी बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। (Fe, Ni)-आधारित अनाकार मिश्र धातु अन्य दो की तुलना में मध्यम चुंबकीय गुण प्रस्तुत करते हैं।

अनाकार अवस्था एक मेटास्टेबल अवस्था है। एक महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर गर्म करने पर, माइक्रोक्रिस्टल का न्यूक्लियेशन और विकास तेजी से होता है। पारंपरिक अनाकार नरम चुंबकीय मिश्र धातुओं के लिए, क्रिस्टलीकरण के दौरान, माइक्रोक्रिस्टल का आकार बहुत कम समय में कई सौ नैनोमीटर तक बढ़ जाएगा और नरम चुंबकीय गुणों को गंभीर रूप से खराब कर देगा। फिर भी, लोगों ने पाया कि Fe-आधारित अनाकार मिश्र धातु में Nb और Cu की एक निश्चित मात्रा को मिलाकर, क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया को नियंत्रण में रखा जा सकता है और अनाकार मैट्रिक्स में लगभग 10 एनएम आकार के नैनोक्रिस्टल का एक समान वितरण प्राप्त किया जा सकता है। इस तरह के Fe-आधारित नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातु के चुंबकीय गुण संबंधित अनाकार मिश्र धातु की तुलना में और भी नरम होते हैं, यानी, उच्च पारगम्यता और कम कोएर्सिविटी, हालांकि BS भी कम है (~ 1.2 T)। Fe-आधारित नैनोक्रिस्टलाइन मिश्रधातुओं के लिए उत्कृष्ट नरम चुंबकीय गुणों का स्रोत यह है कि मैग्नेटो-क्रिस्टलाइन अनिसोट्रॉपी और मैग्नेटोस्ट्रिक्शन दोनों के मूल्य को शून्य के करीब ट्यून किया जा सकता है। पर्मलॉय और Co-आधारित अनाकार मिश्रधातुओं में भी मैग्नेटो-क्रिस्टलाइन अनिसोट्रॉपी और मैग्नेटोस्ट्रिक्शन का मूल्य शून्य के करीब हो सकता है, लेकिन Fe-आधारित नैनोक्रिस्टलाइन मिश्रधातुओं का BS बहुत अधिक है। इसलिए, नैनोक्रिस्टलाइन मिश्रधातु सबसे आशाजनक नरम चुंबकीय सामग्रियों में से एक हो सकती है। इनका व्यापक रूप से वायरलेस चार्जर, उच्च आवृत्ति प्रारंभ करनेवाला, चुंबकीय सेंसर, विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण, ग्राउंड फॉल्ट इंटरप्टर, आदि में उपयोग किया जाता है।

नरम चुंबकीय कंपोजिट

जैसा कि पहले बताया गया है, नरम चुंबकीय पदार्थों की मोटाई भंवर धारा के नुकसान को कम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, इसलिए गतिशील उपयोगों के लिए नरम चुंबकीय मिश्र धातुओं को पतले लेमिनेशन के रूप में बनाया जाना चाहिए। यदि हम नरम चुंबकीय पट्टी के अन्य दो आयामों को तोड़ते हैं, यानी, हम नरम चुंबकीय मिश्र धातुओं को पाउडर के रूप में उपयोग करते हैं, तो भंवर धारा के नुकसान को और कम किया जा सकता है, और इससे बने घटकों का उपयोग बहुत अधिक आवृत्तियों पर किया जा सकता है। इस तरह के उपयोग को साकार करने के लिए, मिश्र धातु के पाउडर को पहले तैयार किया जाता है (ज्यादातर मामलों में परमाणुकरण विधियों द्वारा), फिर कणों को एक इन्सुलेशन परत के साथ लेपित किया जाना चाहिए, उसके बाद, पाउडर को थोड़ी मात्रा में स्नेहक के साथ मिलाया जाता है और अंतिम आकार के लिए 600-800 MPa के तीव्र दबाव पर संपीड़ित किया जाता है। ऐसी प्रक्रियाओं द्वारा बनाए गए नरम चुंबकीय उत्पादों को नरम चुंबकीय कंपोजिट (SMC) या पाउडर कोर कहा जाता है। SMC की एक और खूबी यह है कि उन्हें विभिन्न विशेष आकार के कोर में बनाया जा सकता है जो पारंपरिक लेमिनेशन स्टैकिंग विधियों द्वारा शायद ही बनाए जाते हैं, जो विद्युत चुम्बकीय उपकरणों के उपन्यास डिजाइन के लिए लाभकारी है। एसएमसी का मुख्य दोष यह है कि उनकी पारगम्यता अपेक्षाकृत कम होती है। आजकल सबसे आम एसएमसी Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, अनाकार और नैनोक्रिस्टलाइन मिश्रधातु आदि के पाउडर से बनाए जाते हैं।

नरम फेराइट

ऊपर वर्णित सभी नरम चुंबकीय पदार्थ धातु हैं, इसलिए, भंवर धारा प्रभाव से बचा नहीं जा सकता है। नरम फेराइट इस मायने में विशिष्ट हैं कि वे आयनिक यौगिक हैं और उनकी प्रतिरोधकता धातु नरम चुंबकीय पदार्थों की तुलना में कई गुना अधिक है। इसलिए, 1 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए, ऊर्जा हानि के संबंध में नरम फेराइट सबसे अच्छे विकल्प हैं। नरम फेराइट का मुख्य दोष यह है कि बीएस अपेक्षाकृत कम है। दो प्रकार के सबसे आम नरम फेराइट हैं Mn-Zn फेराइट ((Mn, Zn)Fe2O4) और Ni-Zn फेराइट ((Ni, Zn)Fe2O4)। Mn-Zn फेराइट आमतौर पर 1 मेगाहर्ट्ज से नीचे उपयोग किए जाते हैं

निष्कर्ष के तौर पर, सॉफ्ट मैग्नेटिक मटीरियल बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील होते हैं, यह विशेषता उन्हें कई अनुप्रयोगों के लिए अपरिहार्य बनाती है, खासकर इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के क्षेत्र में, जैसे कि ट्रांसफॉर्मर, इलेक्ट्रिक मोटर, वायरलेस चार्जर, पावर इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस आदि। एक अच्छे सॉफ्ट मैग्नेट के लिए, इसका संतृप्ति प्रवाह घनत्व, पारगम्यता, प्रतिरोधकता और क्यूरी तापमान जितना संभव हो उतना अधिक होना चाहिए, जबकि इसकी सहनशीलता और मैग्नेटोस्ट्रिक्शन गुणांक जितना संभव हो उतना कम होना चाहिए। कोई भी एक प्रकार की सॉफ्ट मैग्नेटिक सामग्री नहीं है जो प्रदर्शन के सभी पहलुओं में अन्य सभी को हरा सके। सबसे उपयुक्त सामग्री चुनने के लिए, लागत, लौह हानि, संतृप्ति प्रवाह घनत्व और पारगम्यता के बीच एक समझौता किया जाना चाहिए।

लोहे और कम कार्बन स्टील में उत्कृष्ट संतृप्ति प्रवाह घनत्व होता है, लेकिन उनकी प्रतिरोधकता कम होती है, जिससे गतिशील अनुप्रयोग के लिए उनका उपयोग सीमित हो जाता है। कुछ पहलुओं में इसके चुंबकीय प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए लोहे में विभिन्न मिश्र धातु तत्व जोड़े जा सकते हैं। Fe-Si मिश्र धातुओं में शुद्ध लोहे की तुलना में बहुत अधिक प्रतिरोधकता और अपेक्षाकृत उच्च संतृप्ति प्रवाह घनत्व होता है, इनका व्यापक रूप से 50/60 हर्ट्ज पर संचालित ट्रांसफार्मर और इलेक्ट्रिक मोटरों के लिए उपयोग किया जाता है और पूरे नरम चुंबकीय सामग्री बाजार का सबसे बड़ा हिस्सा लेते हैं। Fe-आधारित अनाकार मिश्र धातु लोहे के नुकसान के संबंध में Fe-Si मिश्र धातुओं की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन करते हैं और उच्च आवृत्तियों पर संचालित किए जा सकते हैं, लेकिन लागत भी अधिक होती है। Fe-Co मिश्र धातु संतृप्ति प्रवाह घनत्व का उच्चतम मूल्य प्रस्तुत करते हैं। समान आउटपुट पावर/टॉर्क के साथ, Fe-Co मिश्र धातुओं से बनी इलेक्ट्रिक मशीनों का आकार छोटा और द्रव्यमान कम हो सकता है। Fe-Ni मिश्र धातु, Co-आधारित अनाकार मिश्र धातु और Fe-आधारित नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातु सबसे नरम चुंबकीय पदार्थ हैं, क्योंकि उनके लिए मैग्नेटो-क्रिस्टलाइन अनिसोट्रॉपी और मैग्नेटोस्ट्रिक्शन गुणांक दोनों के मान एक साथ शून्य के करीब हो सकते हैं। इनमें से, Fe-आधारित नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातुओं में सबसे अधिक संतृप्ति प्रवाह घनत्व होता है, वे सबसे आशाजनक नरम चुंबकीय पदार्थों में से एक हैं। एसएमसी या पाउडर कोर पतली पट्टी के रूप में अन्य धातु नरम चुंबकीय पदार्थों की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर बेहतर प्रदर्शन करेंगे क्योंकि कणों को इन्सुलेट परतों द्वारा अलग किया जाता है ताकि भंवर वर्तमान प्रभाव को बहुत बाधित किया जा सके। एसएमसी की कमियां कम पारगम्यता और उच्च हिस्टैरिसीस नुकसान हैं। कुछ विशेषज्ञों का मानना ​​है कि यदि एस.एम.सी. के लिए प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी में सुधार किया जा सके, तो कुछ अनुप्रयोगों में उच्च आवृत्ति उपकरणों के आकार और द्रव्यमान को कम करने के लिए सॉफ्ट फेराइट को एस.एम.सी. द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है।