Un imán de neodimio ( también conocido como imán NdFeB , NIB o Neo ) es un imán permanente hecho de una aleación de neodimio , hierro y boro para formar la estructura cristalina tetragonal Nd2Fe14B . [1] Son el tipo de imán de tierras raras más utilizado . [ 2 ]
Desarrollados independientemente en 1984 por General Motors y en la década de 1970 por Sumitomo Special Metals , [3] [4] [5] los imanes de neodimio son el tipo más fuerte de imán permanente disponible comercialmente. [1] [6] Han reemplazado a 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.
Los imanes de NdFeB se pueden clasificar como sinterizados o unidos, según el proceso de fabricación utilizado. [7] [8]
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 de samario-cobalto (SmCo), que se habían desarrollado anteriormente. GM se centró en el desarrollo de imanes nanocristalinos de Nd 2 Fe 14 B hilados en fusión , mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd 2 Fe 14 B sinterizados de densidad completa . [9]
GM comercializó sus invenciones de polvo de neodimio isotrópico , imanes de neodimio unidos y los procesos de producción relacionados con la fundación de Magnequench en 1986 (Magnequench se ha convertido desde entonces en parte de Neo Materials Technology, Inc., que más tarde se fusionó con Molycorp ). La empresa suministraba polvo de Nd2Fe14B hilado en fusión a los fabricantes de imanes unidos. La planta de Sumitomo se convirtió en parte de Hitachi Corporation y ha fabricado, pero también ha otorgado licencias a otras empresas para producir imanes de Nd2Fe14B sinterizados . Hitachi ha tenido 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, gracias a 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 para 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 de 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 funcione con energía renovable . 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 una producción expandida. [12]
En su forma pura, el neodimio tiene propiedades magnéticas; en concreto, es antiferromagnético , pero solo a bajas temperaturas, por debajo de los 19 K (−254,2 °C; −425,5 °F). Sin embargo, algunos compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro son ferromagnéticos , con temperaturas de Curie muy superiores a la temperatura ambiente. Estos 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 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 ). [13] [3] Esto significa que un cristal del material se magnetiza preferentemente a lo largo de un eje cristalino específico , pero es muy difícil magnetizarlo en otras direcciones. Al igual que otros imanes, la aleación de imán de neodimio está compuesta de granos microcristalinos que se alinean en un potente campo magnético durante la fabricación, de modo que sus ejes magnéticos apuntan todos 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 [14] en oposición 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 Nd2Fe14B una alta magnetización de saturación ( Js ≈ 1,6 T o 16 kG ) y una magnetización remanente de típicamente 1,3 teslas. Por lo tanto, como la densidad de energía máxima es proporcional a Js2 , esta fase magnética tiene el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética ( BHmax ≈ 512 kJ/m3 o 64 MG ·Oe ).
Este valor de energía magnética es aproximadamente 18 veces mayor que el de los imanes de ferrita "ordinarios" en volumen y 12 veces mayor 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 Nd2Fe14B 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 mediante un fuerte enlace covalente. [ 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 sean más económicos que la otra familia principal de imanes de tierras raras , los imanes de samario-cobalto . [3]
Aunque tienen una remanencia más alta y una coercitividad y un producto de energía mucho más altos , los imanes de neodimio tienen una temperatura de Curie más baja que muchos otros tipos de imanes. Se han desarrollado aleaciones especiales de imanes de neodimio que incluyen terbio y disprosio que tienen una temperatura de Curie más alta, lo que les permite tolerar temperaturas más altas. [15]
El Nd2Fe14B 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 provocar un deterioro grave, incluida la desintegración de un imán en un polvo de pequeñas partículas magnéticas o el descascarillado de una capa superficial.
Esta vulnerabilidad se soluciona en muchos productos comerciales añadiendo un revestimiento protector para evitar la exposición a la atmósfera. Los métodos estándar son el recubrimiento de níquel, níquel-cobre-níquel y zinc, aunque también se utilizan recubrimientos con otros metales o revestimientos protectores de polímeros y lacas. [17]
El neodimio tiene un coeficiente negativo, lo que significa que la coercitividad junto con la densidad de energía magnética ( BHmax ) disminuye a medida que aumenta la temperatura. Los imanes de neodimio-hierro-boro tienen una alta coercitividad a temperatura ambiente, pero a medida que la temperatura aumenta 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 y motores de vehículos híbridos. Se agrega disprosio (Dy) o terbio (Tb) para frenar la caída del rendimiento debido a los cambios de temperatura. Esta adición hace que los imanes sean más costosos de producir. [18]
Los imanes de neodimio se clasifican según su producto de energía máxima , 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 varían de N28 hasta N55 con un máximo teórico en N64. La primera letra N antes de los valores es la abreviatura de neodimio, lo que significa imanes de NdFeB sinterizados. Las letras que siguen a los valores indican la coercitividad intrínseca y las temperaturas máximas de funcionamiento (correlacionadas positivamente con la temperatura de Curie ), que varían desde el valor predeterminado (hasta 80 °C o 176 °F) hasta TH (230 °C o 446 °F). [19] [20] [21]
Grados de imanes de NdFeB sinterizados: [7] [ se necesita más explicación ] [22] [ ¿fuente poco confiable? ] [23]
Hay dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:
El polvo de neodimio Nd-Fe-B unido se une a una matriz de polímero termoplástico para formar los imanes. El material de aleación magnética se forma mediante temple por inmersión en un tambor enfriado por agua. Esta cinta de metal se tritura hasta formar un polvo y luego se trata térmicamente para mejorar su coercitividad . El polvo se mezcla con un polímero para formar una masilla moldeable, similar a un polímero relleno de vidrio . Esta se granula para su almacenamiento y luego se puede moldear mediante moldeo por inyección . Se aplica un campo magnético externo durante el proceso de moldeo, orientando el campo del imán terminado. [25] [26]
En 2015, la corporación japonesa Nitto Denko anunció el desarrollo de un nuevo método de sinterización de material magnético de neodimio. El método aprovecha una "tecnología híbrida orgánica/inorgánica" para formar una mezcla similar a la arcilla que se puede moldear en diversas formas para la sinterización. Se dice que es posible controlar una orientación no uniforme del campo magnético en el material sinterizado para concentrar localmente el campo, por ejemplo para mejorar el rendimiento de los motores eléctricos. La producción en masa está prevista para 2017. [27] [28] [ necesita actualización ]
A partir de 2012, se produjeron oficialmente 50.000 toneladas de imanes de neodimio cada año en China, y 80.000 toneladas en un cálculo "empresa por empresa" realizado en 2013. [29] China produce más del 95% de los elementos de tierras raras y produce aproximadamente el 76% del total de imanes de tierras raras del mundo, así como la mayor parte del neodimio del mundo. [30] [9]
Los imanes de neodimio han sustituido a los imanes de alnico y ferrita en muchas de las innumerables aplicaciones de la tecnología moderna en las que se requieren imanes permanentes potentes, ya que su mayor resistencia permite el uso de imanes más pequeños y ligeros para una aplicación determinada. Algunos ejemplos son:
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, aislamiento de aluminio, juegos de construcción magnéticos para niños (y otros juguetes con imanes de neodimio ) y como parte del mecanismo de cierre de equipos de paracaídas deportivos modernos. [33] 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, [34] y han sido prohibidos en Canadá por la misma razón. [35] Si bien se levantó una prohibición similar en los Estados Unidos en 2016, el requisito de edad mínima recomendado por la CPSC ahora es de 14 años, y ahora hay nuevos requisitos de etiqueta de advertencia. [36]
La fuerza y la homogeneidad del campo magnético de los imanes de neodimio también han abierto nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres de imágenes por resonancia magnética (IRM) abiertos utilizados para obtener imágenes del cuerpo en los departamentos de radiología como una alternativa a los imanes superconductores que utilizan una bobina de alambre superconductor 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] implantada 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 percepción sensorial de campos magnéticos, [40] aunque este es un procedimiento experimental solo popular entre biohackers y grinders . [41]
El neodimio se utiliza como una grúa magnética, que es un dispositivo de elevación que levanta objetos mediante fuerza magnética . [42] Estas grúas levantan materiales ferrosos como placas de acero, tuberías y chatarra utilizando el campo magnético persistente de los imanes permanentes sin requerir una fuente de alimentación continua. [43] Las grúas magnéticas se utilizan en depósitos de chatarra, astilleros , almacenes y plantas de fabricación . [44]
Las fuerzas mayores ejercidas por los imanes de tierras raras crean peligros que no se dan 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 partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes, o entre un imán y una superficie de metal ferroso, e incluso causar fracturas de huesos. [45]
Los imanes que se acercan demasiado entre sí pueden golpearse entre sí con suficiente fuerza como para astillarse y romperse, y las astillas que salen despedidas pueden causar diversas lesiones, especialmente lesiones oculares . Incluso ha habido casos en los que niños pequeños que se han tragado varios imanes han tenido secciones del tracto digestivo atrapadas entre dos imanes, lo que ha provocado lesiones o la muerte. [46] Esto también podría suponer un grave riesgo para la salud si se trabaja con máquinas que tienen imanes en su interior o adheridos a ellas. [47]
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 sombra de los monitores de tipo CRT a una distancia mayor que otros tipos de imán. En algunos casos, los imanes astillados pueden actuar como un peligro de incendio al unirse, haciendo que salten chispas como si fueran un pedernal de encendedor , porque algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio .