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Níquel -plated imán de neodimio en un soporte de una unidad de disco duro
Cubos magnéticos de neodimio niquelados
Izquierda: imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de Nd 2 Fe 14 B; derecha: estructura de cristal con celda unitaria marcada

Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB , NIB o Neo ) es el tipo de imán de tierras raras más utilizado [1] . Es un imán permanente hecho de una aleación de neodimio , hierro y boro para formar la estructura cristalina tetragonal Nd 2 Fe 14 B. [2] Desarrollado independientemente en 1984 por General Motors y Sumitomo Special Metals , [3] [4] [5]Los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más fuerte disponible comercialmente. [2] [6] Debido a los diferentes procesos de fabricación, se dividen en dos subcategorías, a saber, imanes de NdFeB sinterizados e imanes de NdFeB adheridos. [7] [8] Han reemplazado otros tipos de imanes en muchas aplicaciones en productos modernos que requieren imanes permanentes fuertes, como motores eléctricos en herramientas inalámbricas, unidades de disco duro y sujetadores magnéticos.

Historia [ editar ]

General Motors (GM) y Sumitomo Special Metals descubrieron de forma independiente el compuesto Nd 2 Fe 14 B casi simultáneamente en 1984. [3] La investigación fue impulsada inicialmente por el alto costo de las materias primas de los imanes permanentes SmCo , que se habían desarrollado anteriormente. GM se centró en el desarrollo de imanes Nd 2 Fe 14 B nanocristalinos hilados en fusión , mientras que Sumitomo desarrolló imanes Nd 2 Fe 14 B sinterizados de densidad completa . GM comercializó sus invenciones de polvo Neo isotrópico , neo adheridoimanes y los procesos de producción relacionados al fundar Magnequench en 1986 (Magnequench se ha convertido desde entonces en parte de Neo Materials Technology, Inc., que luego se fusionó con Molycorp ). La empresa suministró polvo Nd 2 Fe 14 B hilado en fusión a fabricantes de imanes adheridos. La planta de Sumitomo pasó a formar parte de Hitachi Corporation , y ha fabricado, pero también ha otorgado licencias a otras empresas para producir imanes sinterizados de Nd 2 Fe 14 B. Hitachi tiene más de 600 patentes que cubren imanes de neodimio. [9]

Los fabricantes chinos se han convertido en una fuerza dominante en la producción de imanes de neodimio, basándose en su control de gran parte de las minas de tierras raras del mundo. [10]

El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha identificado la necesidad de encontrar sustitutos de los metales de tierras raras en la tecnología de imanes permanentes y ha financiado dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía ha patrocinado un programa de Alternativas de Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, ARPA-E otorgó 31,6 millones de dólares para financiar proyectos sustitutos de tierras raras. [11] Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para turbinas eólicas , se ha argumentado que el neodimio será uno de los principales objetos de competencia geopolítica en un mundo que funciona con energías renovables.. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para expandir la producción. [12]

Composición [ editar ]

El neodimio es un metal ferromagnético (más específicamente muestra propiedades antiferromagnéticas ), lo que significa que, como el hierro, puede magnetizarse para convertirse en un imán , pero su temperatura de Curie (la temperatura por encima de la cual desaparece su ferromagnetismo) es de 19 K (-254,2 ° C). ; −425.5 ° F), por lo que en forma pura su magnetismo solo aparece a temperaturas extremadamente bajas. [13] Sin embargo, los compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro pueden tener temperaturas de Curie muy por encima de la temperatura ambiente, y se utilizan para fabricar imanes de neodimio.

La fuerza de los imanes de neodimio es el resultado de varios factores. El más importante es que la estructura cristalina tetragonal de Nd 2 Fe 14 B tiene una anisotropía magnetocristalina uniaxial excepcionalmente alta ( H A ≈ 7 T - intensidad del campo magnético H en unidades de A / m versus momento magnético en A · m 2 ). [14] [3] Esto significa que un cristal del material se magnetiza preferentemente a lo largo de un eje de cristal específico, pero es muy difícil de magnetizar en otras direcciones. Como otros imanes, la aleación de imán de neodimio está compuesta de microcristalinos granos que están alineados en un poderoso campo magnético durante la fabricación, por lo que todos sus ejes magnéticos apuntan en la misma dirección. La resistencia de la red cristalina a girar su dirección de magnetización le da al compuesto una coercitividad muy alta , o resistencia a ser desmagnetizado.

El átomo de neodimio puede tener un gran momento dipolar magnético porque tiene 4 electrones desapareados en su estructura electrónica [15] en contraposición a (en promedio) 3 en el hierro. En un imán son los electrones desapareados, alineados de modo que su espín esté en la misma dirección, los que generan el campo magnético. Esto le da al compuesto de Nd 2 Fe 14 B una magnetización de alta saturación ( J s ≈ 1.6 T o 16 kG ) y una magnetización remanente de típicamente 1.3 teslas. Por lo tanto, como la densidad máxima de energía es proporcional a J s 2  , esta fase magnética tiene el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética ( BH max  ≈ 512  kJ / m 3 o 64 MG · Oe ). Este valor de energía magnética es aproximadamente 18 veces mayor que los imanes de ferrita "ordinarios" en volumen y 12 veces en masa. Esta propiedad de energía magnética es mayor en las aleaciones de NdFeB que en los imanes de samario y cobalto (SmCo), que fueron el primer tipo de imán de tierras raras que se comercializó. En la práctica, las propiedades magnéticas de los imanes de neodimio dependen de la composición de la aleación, la microestructura y la técnica de fabricación empleada. 

La estructura cristalina de Nd 2 Fe 14 B se puede describir como capas alternas de átomos de hierro y un compuesto de neodimio-boro. [3] Los átomos de boro diamagnéticos no contribuyen directamente al magnetismo pero mejoran la cohesión por fuertes enlaces covalentes. [3] El contenido relativamente bajo de tierras raras (12% en volumen, 26,7% en masa) y la abundancia relativa de neodimio y hierro en comparación con el samario y el cobalto hacen que los imanes de neodimio tengan un precio más bajo que los imanes de samario y cobalto . [3]

Propiedades [ editar ]

Imanes de neodimio (cilindros pequeños) que levantan esferas de acero. Estos imanes pueden levantar fácilmente miles de veces su propio peso.
El ferrofluido en una placa de vidrio muestra el fuerte campo magnético del imán de neodimio debajo.

Calificaciones [ editar ]

Los imanes de neodimio se clasifican de acuerdo con su producto energético máximo , que se relaciona con la salida de flujo magnético por unidad de volumen. Los valores más altos indican imanes más fuertes. Para los imanes de NdFeB sinterizados, existe una clasificación internacional ampliamente reconocida. Sus valores oscilan entre 28 y 52. ​​La primera letra N antes de los valores es la abreviatura de neodimio, es decir, imanes de NdFeB sinterizados. Las letras que siguen a los valores indican coercitividad intrínseca y temperaturas máximas de funcionamiento (correlacionadas positivamente con la temperatura de Curie ), que van desde el valor predeterminado (hasta 80 ° C o 176 ° F) hasta AH (230 ° C o 446 ° F). [16] [17]

Grados de imanes de NdFeB sinterizados: [7] [ se necesita más explicación ] [18] [ fuente no confiable? ]

  • N30 - N52
  • N30M - N50M
  • N30H - N50H
  • N30SH - N48SH
  • N30UH - N42UH
  • N28EH - N40EH
  • N28AH - N35AH

Propiedades magnéticas [ editar ]

Algunas propiedades importantes que se utilizan para comparar imanes permanentes son:

  • Remanencia ( B r ) , que mide la fuerza del campo magnético.
  • Coercitividad ( H ci ) , la resistencia del material a desmagnetizarse.
  • Producto de energía máxima ( BH max ) , la densidad de la energía magnética, [19] caracterizado por el valor máximo de la densidad de flujo magnético (B) multiplicado por la intensidad del campo magnético (H).
  • Temperatura de Curie ( T C ) , la temperatura a la que el material pierde su magnetismo.

Los imanes de neodimio tienen una mayor remanencia, una coercitividad y un producto energético mucho más altos, pero a menudo una temperatura de Curie más baja que otros tipos de imanes. Se han desarrollado aleaciones especiales de imán de neodimio que incluyen terbio y disprosio que tienen una temperatura de Curie más alta, lo que les permite tolerar temperaturas más altas. [20] La siguiente tabla compara el rendimiento magnético de los imanes de neodimio con otros tipos de imanes permanentes.

ImánB r
(T)		H ci
(kA / m)		BH máx.
(KJ / m 3 )		T C
(° C)(° F)
Nd 2 Fe 14 B, sinterizado1.0–1.4750–2000200–440310–400590–752
Nd 2 Fe 14 B, unido0,6-0,7600-120060-100310–400590–752
SmCo 5 , sinterizado0,8-1,1600-2000120-2007201328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 , sinterizado0,9-1,15450-1300150–2408001472
Alnico, sinterizado0,6-1,427510–88700–8601292-1580
Sr-ferrita, sinterizada0,2-0,78100–30010–40450842

Propiedades físicas y mecánicas [ editar ]

Microfotografía de NdFeB que muestra los límites del dominio magnético
Comparación de las propiedades físicas de neodimio sinterizado y Sm-Co imanes [21]
PropiedadNeodimioSm-Co
Remanencia ( T )1–1,50,8–1,16
Coercitividad (MA / m)0,875–2,790,493–2,79
Permeabilidad al retroceso1.051.05–1.1
Coeficiente de temperatura de remanencia (% / K)- (0,12-0,09)- (0.05–0.03)
Coeficiente de temperatura de coercitividad (% / K)- (0,65-0,40)- (0,30-0,15)
Temperatura de Curie (° C)310–370700–850
Densidad (g / cm 3 )7,3–7,78.2–8.5
Coeficiente de expansión térmica , paralelo a la magnetización (1 / K)(3-4) × 10 −6(5-9) × 10 −6
Coeficiente de expansión térmica , perpendicular a la magnetización (1 / K)(1-3) × 10 −6(10-13) × 10 −6
Resistencia a la flexión (N / mm 2 )200–400150–180
Resistencia a la compresión (N / mm 2 )1000-1100800–1000
Resistencia a la tracción (N / mm 2 )80–9035–40
Dureza Vickers (HV)500–650400–650
Resistividad eléctrica (Ω · cm)(110-170) × 10 −6(50–90) × 10 −6

Problemas de corrosión [ editar ]

Estos imanes de neodimio se corroyeron severamente después de cinco meses de exposición a la intemperie.

El Nd 2 Fe 14 B sinterizado tiende a ser vulnerable a la corrosión , especialmente a lo largo de los límites de grano de un imán sinterizado. Este tipo de corrosión puede causar un deterioro grave, incluido el desmoronamiento de un imán en un polvo de pequeñas partículas magnéticas o el desprendimiento de una capa superficial.

Esta vulnerabilidad se aborda en muchos productos comerciales mediante la adición de una capa protectora para evitar la exposición a la atmósfera. El niquelado o el cobre-níquel de dos capas son los métodos estándar, aunque también se utiliza el enchapado con otros metales o con revestimientos protectores de polímeros y lacas. [22]

Efectos de la temperatura [ editar ]

El neodimio tiene un coeficiente negativo, lo que significa que la coercitividad junto con la densidad de energía magnética ( BH max ) disminuye con la temperatura. Los imanes de neodimio-hierro-boro tienen una alta coercitividad a temperatura ambiente, pero a medida que la temperatura sube por encima de los 100 ° C (212 ° F), la coercitividad disminuye drásticamente hasta la temperatura de Curie (alrededor de 320 ° C o 608 ° F). Esta caída en la coercitividad limita la eficiencia del imán en condiciones de alta temperatura, como en turbinas eólicas, motores híbridos, etc. Se agrega disprosio (Dy) o terbio (Tb) para frenar la caída en el rendimiento debido a los cambios de temperatura, lo que hace que el imán aún más caro. [23]

Peligros [ editar ]

Las mayores fuerzas ejercidas por los imanes de tierras raras crean peligros que pueden no ocurrir con otros tipos de imanes. Los imanes de neodimio de más de unos pocos centímetros cúbicos son lo suficientemente fuertes como para causar lesiones en las partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes, o un imán y una superficie de metal ferroso, incluso causando fracturas de huesos. [24]

Los imanes que se acercan demasiado pueden golpearse entre sí con suficiente fuerza como para astillar y romper los imanes frágiles, y las astillas voladoras pueden causar diversas lesiones, especialmente lesiones oculares . Incluso ha habido casos en los que los niños pequeños que han tragado varios imanes han tenido secciones del tracto digestivo pellizcadas entre dos imanes, causando lesiones o la muerte. Además, esto podría suponer un grave riesgo para la salud si se trabaja con máquinas que tienen imanes o adheridos a ellos [25]. Los campos magnéticos más fuertes pueden ser peligrosos para los dispositivos mecánicos y electrónicos, ya que pueden borrar medios magnéticos como disquetes y tarjetas de crédito . y magnetizar relojes y las máscaras de sombras deMonitores tipo CRT a mayor distancia que otros tipos de imán. En algunos casos, los imanes astillados pueden actuar como un peligro de incendio cuando se juntan, enviando chispas como si fueran un pedernal más ligero , porque algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio .

Producción [ editar ]

Hay dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:

  • Pulvimetalurgia clásica o proceso de imán sinterizado [26]
    • Los imanes de Nd sinterizados se preparan fundiendo las materias primas en un horno, fundidas en un molde y enfriadas para formar lingotes. Los lingotes se pulverizan y muelen; el polvo se sinteriza luego en bloques densos. Luego, los bloques se tratan térmicamente, se cortan para darles forma, se tratan la superficie y se magnetizan.
  • Proceso de solidificación rápida o imán adherido
    • Los imanes de Nd adheridos se preparan fundiendo hilando una cinta delgada de la aleación de NdFeB. La cinta contiene granos a nanoescala de Nd 2 Fe 14 B orientados aleatoriamente . Esta cinta luego se pulveriza en partículas, se mezcla con un polímero y se comprime o se moldea por inyección en imanes unidos.

En 2015, Nitto Denko Corporation de Japón anunció el desarrollo de un nuevo método de sinterización de material magnético de neodimio. El método explota una "tecnología híbrida orgánica / inorgánica" para formar una mezcla similar a la arcilla que se puede moldear en varias formas para sinterizar. Más importante aún, se dice que es posible controlar una orientación no uniforme del campo magnético en el material sinterizado para concentrar localmente el campo para, por ejemplo, mejorar el rendimiento de los motores eléctricos. La producción en masa está prevista para 2017. [27] [28]

A partir de 2012, se producen oficialmente 50.000 toneladas de imanes de neodimio cada año en China, y 80.000 toneladas en una acumulación "empresa por empresa" realizada en 2013. [29] China produce más del 95% de elementos de tierras raras y produce alrededor del 76% del total de imanes de tierras raras del mundo, así como la mayor parte del neodimio del mundo. [30] [9]  

Aplicaciones [ editar ]

Aplicaciones magnet existentes [ editar ]

Imanes anulares
La mayoría de las unidades de disco duro incorporan potentes imanes
Esta linterna de accionamiento manual utiliza un imán de neodimio para generar electricidad.

Los imanes de neodimio han reemplazado a los imanes de alnico y ferrita en muchas de las innumerables aplicaciones de la tecnología moderna donde se requieren imanes permanentes fuertes, porque su mayor fuerza permite el uso de imanes más pequeños y livianos para una aplicación determinada. Algunos ejemplos son:

  • Actuadores de cabezal para discos duros de computadora
  • Interruptores mecánicos de encendido de cigarrillos electrónicos
  • Cerraduras para puertas
  • Altavoces y auriculares
  • Altavoces de teléfonos móviles , respuesta táptica y actuadores de enfoque automático
  • Cojinetes y acoplamientos magnéticos
  • Espectrómetros de RMN de mesa
  • Motores eléctricos : (El uso de imanes de neodimio en motores eléctricos puede reducir su consumo de energía a la mitad) [31].
    • Herramientas inalámbricas
    • Servomotores
    • Motores de elevación y compresor
    • Motores síncronos
    • Motores de husillo y paso a paso
    • Dirección asistida eléctrica
    • Motores de propulsión para vehículos híbridos y eléctricos . Los motores eléctricos de cada Toyota Prius requieren un kilogramo (2,2 libras) de neodimio. [20]
    • Actuadores
  • Generadores eléctricos para aerogeneradores (solo aquellos con excitación de imán permanente)
  • Bobina de voz [32]
  • Desacopladores de cajas de medios minoristas [se necesita aclaración ]
  • En las industrias de procesos, se utilizan potentes imanes de neodimio para atrapar cuerpos extraños y proteger productos y procesos [33]

Nuevas aplicaciones [ editar ]

Esferas magnéticas de neodimio ensambladas en forma de cubo

La mayor fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde antes no se usaban imanes, como cierres de joyería magnéticos, juegos de construcción magnéticos para niños (y otros juguetes de imán de neodimio ) y como parte del mecanismo de cierre de los modernos equipos deportivos de paracaídas. [34] Son el metal principal en los imanes de juguete de escritorio anteriormente populares, "Buckyballs" y "Buckycubes", aunque algunos minoristas estadounidenses han optado por no venderlos debido a preocupaciones de seguridad infantil, [35] y han sido prohibidos. en Canadá por la misma razón. [36]

La fuerza y ​​la homogeneidad del campo magnético en los imanes de neodimio también ha abierto nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres abiertos de resonancia magnética (MRI) utilizados para obtener imágenes del cuerpo en los departamentos de radiología como una alternativa a los imanes superconductores que utilizan una bobina de superconductores. alambre para producir el campo magnético. [37]

Los imanes de neodimio se utilizan como un sistema antirreflujo colocado quirúrgicamente que es una banda de imanes [38] implantados quirúrgicamente alrededor del esfínter esofágico inferior para tratar la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE). [39] También se han implantado en las yemas de los dedos para proporcionar una percepción sensorial de los campos magnéticos, [40] aunque este es un procedimiento experimental que solo es popular entre los biohackers y trituradores . [41]

Ver también [ editar ]

  • Lantánido  : elementos metálicos trivalentes de tierras raras
  • Pesca con imanes  : búsqueda en aguas exteriores de objetos ferromagnéticos
  • Imán de tierras raras  : potentes imanes permanentes hechos de aleaciones de elementos de tierras raras
  • Imán de samario-cobalto  : potente imán permanente hecho de una aleación de un elemento de tierras raras y cobalto

Referencias [ editar ]

  1. ^ "¿Qué es un imán fuerte?" . El Blog de Magnetic Matters . Productos magnéticos Adams. 5 de octubre de 2012 . Consultado el 12 de octubre de 2012 .
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  8. ^ Imanes de NdFeB adheridos , ¿Qué son los imanes de NdFeB adheridos?
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Lectura adicional [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Bowley, Roger. "Más con imanes" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
  • Imanes geek de tierras raras repelen a los tiburones
  • Preocupación a medida que China toma medidas drásticas contra las exportaciones de tierras raras
  • ¿Qué son los imanes de neodimio?