Un imán de tierras raras es un potente imán permanente fabricado a partir de aleaciones de elementos de tierras raras . Desarrollados en las décadas de 1970 y 1980, los imanes de tierras raras son el tipo más fuerte de imanes permanentes que se fabrican y producen campos magnéticos significativamente más fuertes que otros tipos, como los imanes de ferrita o alnico . El campo magnético producido típicamente por imanes de tierras raras puede exceder los 1,2 teslas , mientras que los imanes de ferrita o cerámicos suelen exhibir campos de 0,5 a 1 teslas.
Hay dos tipos: imanes de neodimio e imanes de samario-cobalto . Los imanes de tierras raras son extremadamente frágiles y también vulnerables a la corrosión , por lo que generalmente están chapados o recubiertos para protegerlos de roturas, astillas o desmoronamiento.
El desarrollo de imanes de tierras raras comenzó alrededor de 1966, cuando KJ Strnat y G. Hoffer, del Laboratorio de Materiales de la Fuerza Aérea de EE. UU. , descubrieron que una aleación de itrio y cobalto , YCo 5 , tenía, con diferencia, la mayor constante de anisotropía magnética de cualquier material conocido hasta entonces. . [1] [2]
El término "tierras raras" puede ser engañoso, ya que algunos de estos metales pueden ser tan abundantes en la corteza terrestre como el estaño o el plomo, [3] pero los minerales de tierras raras no existen en las vetas (como el carbón o el cobre), por lo que en cualquier dado un kilómetro cúbico de corteza son "raros". [4] [5] La fuente principal es actualmente China . [6] Algunos países clasifican los metales de tierras raras como estratégicamente importantes, [7] y las restricciones chinas a la exportación de estos materiales han llevado a otros países, incluido Estados Unidos , a iniciar programas de investigación para desarrollar imanes potentes que no requieran metales de tierras raras. [8]
Los elementos de tierras raras ( lantánidos ) son metales ferromagnéticos , lo que significa que, al igual que el hierro, pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes , pero sus temperaturas de Curie (la temperatura por encima de la cual desaparece su ferromagnetismo) están por debajo de la temperatura ambiente, por lo que en forma pura sus El magnetismo sólo aparece a bajas temperaturas. Sin embargo, forman compuestos con metales de transición como hierro , níquel y cobalto , y algunos de estos compuestos tienen temperaturas de Curie muy por encima de la temperatura ambiente. A partir de estos compuestos se fabrican imanes de tierras raras.
La mayor fuerza de los imanes de tierras raras se debe principalmente a dos factores:
Algunas propiedades importantes utilizadas 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 energético ( B·H max ), la densidad de energía magnética; y temperatura de Curie ( T C ), la temperatura a la que el material pierde su magnetismo. Los imanes de tierras raras tienen una mayor remanencia, una coercitividad y un producto energético mucho mayores, pero (para el neodimio) una temperatura de Curie más baja que otros tipos. La siguiente tabla compara el rendimiento magnético de los dos tipos de imanes de tierras raras, neodimio (Nd 2 Fe 14 B) y samario-cobalto (SmCo 5 ), con otros tipos de imanes permanentes.
Los imanes de samario y cobalto (fórmula química: SmCo 5 ), la primera familia de imanes de tierras raras inventada, se utilizan menos que los imanes de neodimio debido a su mayor coste y su menor intensidad del campo magnético. Sin embargo, el samario-cobalto tiene una temperatura de Curie más alta , lo que crea un nicho para estos imanes en aplicaciones donde se necesita una alta intensidad de campo a altas temperaturas de funcionamiento . Son muy resistentes a la oxidación, pero los imanes sinterizados de samario y cobalto son frágiles y propensos a astillarse y agrietarse y pueden fracturarse cuando se someten a un choque térmico .
Los imanes de neodimio , inventados en la década de 1980, son el tipo de imán de tierras raras más potente y asequible. Están hechos de una aleación de neodimio, hierro y boro (Nd 2 Fe 14 B), a veces abreviada como NIB. Los imanes de neodimio se utilizan en numerosas aplicaciones que requieren imanes permanentes potentes y compactos, como motores eléctricos para herramientas inalámbricas, unidades de disco duro , sujetadores magnéticos y cierres de joyería. Tienen la mayor intensidad de campo magnético y una mayor coercitividad (lo que los hace magnéticamente estables), pero tienen una temperatura de Curie más baja y son más vulnerables a la oxidación que los imanes de samario-cobalto.
La corrosión puede hacer que los imanes desprotegidos se desprendan de una capa superficial o se desmoronen hasta convertirse en polvo. El uso de tratamientos superficiales protectores como oro , níquel , zinc y estaño y revestimiento de resina epoxi puede proporcionar protección contra la corrosión; La mayoría de los imanes de neodimio utilizan niquelado para proporcionar una protección sólida.
Originalmente, el alto coste de estos imanes limitaba su uso a aplicaciones que requerían compacidad junto con una alta intensidad de campo. Tanto las materias primas como las licencias de patentes eran caras. Sin embargo, desde la década de 1990, los imanes NIB se han vuelto cada vez menos costosos y su menor costo ha inspirado nuevos usos, como los juguetes de construcción magnéticos.
Desde que sus precios se volvieron competitivos en la década de 1990, los imanes de neodimio han ido reemplazando a los imanes de álnico y ferrita en muchas aplicaciones de la tecnología moderna que requieren imanes potentes. Su mayor fuerza permite utilizar imanes más pequeños y livianos para una aplicación determinada.
Las aplicaciones comunes de los imanes de tierras raras incluyen:
Otras aplicaciones de los imanes de tierras raras incluyen:
La mayor fuerza ejercida por los imanes de tierras raras crea peligros que no se observan con otros tipos de imanes. Los imanes de más de unos pocos centímetros son lo suficientemente fuertes como para causar lesiones en partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes o un imán y una superficie metálica, causando incluso fracturas de huesos. [13] Los imanes que se permiten acercarse demasiado entre sí pueden golpearse entre sí con fuerza suficiente para astillar y romper el material frágil, y las astillas voladoras pueden causar lesiones. A partir de 2005, los potentes imanes que se desprenden de juguetes o de juegos de construcción magnéticos empezaron a provocar lesiones y muertes. [14] A los niños pequeños que se tragaron varios imanes se les pellizcó un pliegue del tracto digestivo entre los imanes, lo que provocó lesiones y, en un caso, perforaciones intestinales, sepsis y la muerte. [15]
La ingestión de pequeños imanes, como las esferas magnéticas de neodimio, puede provocar lesiones intestinales que requieran cirugía. Los imanes se atraen entre sí a través de las paredes del estómago y del intestino, perforando el intestino. [16] [17] Los Centros para el Control de Enfermedades de EE. UU. informaron 33 casos en 2010 que requirieron cirugía y una muerte. [18] [19] Los imanes han sido tragados tanto por niños pequeños como por adolescentes (que usaban los imanes para pretender tener perforaciones en la lengua). [20]
En 2007 se adoptó una norma voluntaria para los juguetes, que fusiona permanentemente imanes potentes para evitar que se los traguen y limita la fuerza de los imanes desconectados. [14] En 2009, un crecimiento repentino en las ventas de juguetes magnéticos de escritorio para adultos provocó un aumento en el número de lesiones, las visitas a las habitaciones se estimaron en 3.617 en 2012. [14] En respuesta, la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. aprobó una norma en 2012 que restringía el tamaño de los imanes de tierras raras en productos de consumo, pero fue anulada por una decisión de un tribunal federal de EE. UU. en noviembre de 2016, en un caso presentado por el único fabricante restante. [21] Después de que se anuló la regla, el número de incidentes de ingestión en el país aumentó drásticamente y se estima que superó los 1,500 en 2019, lo que llevó a la CPSC a recomendar a los niños menores de 14 años que no usaran los imanes. [14]
En 2009, la empresa estadounidense Maxfield & Oberton, fabricante de Buckyballs, decidió reenvasar imanes esféricos y venderlos como juguetes. [22] Las Buckyballs se lanzaron en la Feria Internacional de Regalos de Nueva York en 2009 y se vendieron por cientos de miles antes de que la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. emitiera un retiro del mercado en los envases etiquetados como 13+. [23] Según la CPSC, se habían vendido al público 175.000 unidades. Menos de 50 fueron devueltos. [24] Las Buckyballs con la etiqueta "Mantener alejado de todos los niños" no fueron retiradas del mercado. [ cita necesaria ] Posteriormente, Maxfield & Oberton cambiaron todas las menciones de "juguete" a "juguete de escritorio", posicionando el producto como un calmante para el estrés para adultos y restringiendo las ventas en tiendas que vendían principalmente productos para niños. [25]
En los Estados Unidos, como resultado de unas 2.900 visitas a las salas de emergencia entre 2009 y 2013 debido a imanes "en forma de bola" o "de alta potencia", o ambos, la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. (CPSC, por sus siglas en inglés) ha pasado por un proceso de reglamentación. para intentar restringir su venta. [26]
Una investigación adicional realizada por la CPSC publicada en 2012 encontró una tendencia creciente de incidentes de ingestión de imanes en niños pequeños y adolescentes desde 2009. Los incidentes que involucraron a niños mayores y adolescentes no fueron intencionales y fueron el resultado del uso de imanes para imitar perforaciones corporales, como pendientes en la lengua. [27] La comisión citó complicaciones ocultas si más de un imán se adhiere a través del tejido dentro del cuerpo. [ cita necesaria ] Se emitió otro retiro del mercado para Buckyballs en 2012 junto con productos similares comercializados como juguetes en los EE. UU. Se presentaron retiradas del mercado y quejas administrativas contra otras empresas estadounidenses similares. Maxfield & Oberton rechazó el retiro del mercado y continuó vendiendo sus juguetes de escritorio. La empresa lanzó una campaña política contra la CPSC y Craig Zucker, cofundador de la empresa, debatió sobre la comisión de seguridad en FOX News. [28]
En junio de 2012, debido a una carta de la senadora estadounidense Kirsten Gillibrand a la presidenta de la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU., Inez Tenenbaum , [29] la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de Estados Unidos presentó quejas administrativas, intentando prohibir la venta de Buckyballs [30] e imanes Zen. . [31] Zen Magnets LLC es la primera empresa que recibe este tipo de queja sin antecedentes de lesiones. [32] En noviembre de 2012, Buckyballs anunció que habían detenido la producción debido a una demanda de la CPSC. [33]
En marzo de 2016, Zen Magnets (un fabricante de esferas magnéticas de neodimio) ganó en una importante audiencia judicial en 2014 sobre el peligro que representaban las etiquetas de advertencia "defectuosas" en sus imanes esféricos. [34] Un tribunal de DC [35] (CPSC Docket No: 12-2) decidió que "el uso adecuado de los imanes Zen y las neobolas no crea exposición a peligro alguno". [36] A partir de enero de 2017, muchas marcas de esferas magnéticas, incluido Zen Magnets, han reanudado la venta de pequeñas esferas magnéticas de neodimio luego de una apelación exitosa de Zen Magnets en el Tribunal de Apelaciones del Décimo Circuito de EE. UU., que anuló la regulación de la CPSC de 2012 que prohibía estos productos y De este modo, la venta de pequeños imanes de neodimio volvió a ser legal en los Estados Unidos. [37] Fue la primera pérdida de este tipo de la CPSC en más de 30 años. [38]
Un estudio publicado en el Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition encontró un aumento significativo en la ingestión de imanes por parte de niños después de 2017, incluido "un aumento de cinco veces en la intensificación de la atención por la ingestión de múltiples imanes". [39] El 3 de junio de 2020, la CPSC presentó un "Paquete informativo del personal de respuesta a la petición" a la comisión, incluso después de que la petición fuera rescindida. Describe el deseo de realizar investigaciones en 2021 con una propuesta de regla sugerida en 2022 para su votación. [40]
A partir de 2019, los fabricantes están trabajando en una norma voluntaria similar en ASTM . [41] El 26 de octubre de 2017, la CPSC presentó una queja administrativa contra Zen Magnets, alegando que los juegos de imanes contenían defectos del producto que creaban un riesgo sustancial de lesiones a los niños, declarando que "Es ilegal según la ley federal que cualquier persona vender, ofrecer a la venta, fabricar, distribuir en el comercio o importar a los Estados Unidos cualquier imán Zen y neobolas". [42]
La venta de "determinados productos con imanes pequeños y potentes" está prohibida en Canadá desde 2015. [43]
En noviembre de 2012, tras una prohibición provisional en Nueva Gales del Sur , [44] entró en vigor en toda Australia una prohibición permanente de la venta de imanes de neodimio. [45]
En enero de 2013, el Ministro de Asuntos del Consumidor, Simon Bridges, anunció la prohibición de la importación y venta de juegos de imanes de neodimio en Nueva Zelanda, a partir del 24 de enero de 2013. [46]
El proyecto ETN-Demeter (Red europea de formación para el diseño y reciclaje de motores y generadores de imanes permanentes de tierras raras en vehículos híbridos y totalmente eléctricos) de la Unión Europea [47] está examinando el diseño sostenible de motores eléctricos utilizados en vehículos. Por ejemplo, están diseñando motores eléctricos en los que los imanes se pueden quitar fácilmente para reciclar los metales de tierras raras.
El Consejo Europeo de Investigación de la Unión Europea también otorgó al investigador principal, Prof. Thomas Zemb, y al co-investigador principal, Dr. Jean-Christophe P. Gabriel, una beca de investigación avanzada para el proyecto "Reciclaje de elementos de tierras raras con bajas emisiones nocivas". : REE-CYCLE", cuyo objetivo era encontrar nuevos procesos para el reciclaje de tierras raras . [48]
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 comenzado a financiar dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) 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. [8]
Imanes de tierras raras de China.
La Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. (CPSC) tiene conocimiento de al menos 33 casos de niños que resultaron heridos por la ingestión de imanes. Un niño de 20 meses murió y al menos otros 19 niños de entre 10 meses y 11 años requirieron cirugía para extraer los imanes ingeridos.
Roberts dijo que niños pequeños se habían tragado imanes de productos novedosos y juguetes ejecutivos, mientras que algunos niños mayores y adolescentes se habían tragado imanes después de usarlos como imitaciones de piercings en la lengua o en los labios.