Un imán de neodimio (también conocido como NdFeB , NIB o Neo imán) es un imán permanente fabricado a partir de una aleación de neodimio , hierro y boro para formar la estructura cristalina tetragonal de Nd 2 Fe 14 B. [1] Son el tipo de imán de tierras raras más utilizado . [2]
Desarrollados de forma independiente en 1984 por General Motors y Sumitomo Special Metals , [3] [4] [5] los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más potente disponible comercialmente. [1] [6] 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.
Los imanes de NdFeB se pueden clasificar en sinterizados o aglomerados, 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 habían sido desarrollado anteriormente. GM se centró en el desarrollo de imanes nanocristalinos de Nd 2 Fe 14 B hilado en fusión , mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd 2 Fe 14 B sinterizados de densidad total . [9]
GM comercializó sus inventos de polvo Neo isotrópico , neoimanes adheridos y los procesos de producción relacionados al fundar Magnequench en 1986 (desde entonces, Magnequench pasó a formar parte de Neo Materials Technology, Inc., que luego se fusionó con Molycorp ). La empresa suministró polvo de Nd 2 Fe 14 B hilado en fusión a fabricantes de imanes adheridos. Las instalaciones de Sumitomo pasaron a formar parte de Hitachi Corporation y han fabricado, pero también otorgado licencias, a otras empresas para producir imanes sinterizados de Nd 2 Fe 14 B. Hitachi posee 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 concedió 31,6 millones de dólares para financiar proyectos de sustitución de tierras raras. [11] Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para las 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 . 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 ampliar la producción. [12]
En su forma pura, el neodimio tiene propiedades magnéticas; específicamente, es antiferromagnético , pero sólo a bajas temperaturas, por debajo de 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. Se utilizan para fabricar imanes de neodimio.
La fuerza de los imanes de neodimio es el resultado de varios factores. Lo 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 ). [13] [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. Al igual que otros imanes, la aleación del imán de neodimio está compuesta de granos microcristalinos que se alinean en un potente campo magnético durante la fabricación, de modo que todos sus ejes magnéticos apunten en la misma dirección. La resistencia de la red cristalina a girar su dirección de magnetización le da al compuesto una coercitividad o resistencia a la desmagnetización muy alta.
El átomo de neodimio puede tener un gran momento dipolar magnético porque tiene 4 electrones desapareados en su estructura electrónica [14] en comparación con (en promedio) 3 en el hierro. En un imán son los electrones no apareados, alineados de manera que su espín esté en la misma dirección, los que generan el campo magnético. Esto le da al compuesto Nd 2 Fe 14 B una magnetización de alta saturación ( J s ≈ 1,6 T o 16 kG ) y una magnetización remanente típicamente de 1,3 teslas. Por lo tanto, como la densidad de energía máxima 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 el de 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 mediante fuertes enlaces covalentes. [3] El contenido relativamente bajo de tierras raras (12% en volumen, 26,7% en masa) y la relativa abundancia de neodimio y hierro en comparación con el samario y el cobalto hacen que los imanes de neodimio tengan un precio más bajo que el de la otra familia importante de imanes de tierras raras , el samario. –imanes de cobalto . [3]
Aunque tienen una mayor remanencia y una coercitividad y un producto energético mucho mayores, 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 y que tienen una temperatura de Curie más alta, lo que les permite tolerar temperaturas más altas. [15]
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 hasta convertirlo en un polvo de pequeñas partículas magnéticas o el desconchado de una capa superficial.
Esta vulnerabilidad se aborda en muchos productos comerciales agregando una capa protectora para evitar la exposición a la atmósfera. Los métodos estándar son los revestimientos de níquel, níquel-cobre-níquel y zinc, aunque también se utilizan el revestimiento 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 ( 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 supera los 100 °C (212 °F), la coercitividad disminuye drásticamente hasta la temperatura de Curie (alrededor de 320 °C o 608 °F). Esta caída de la coercitividad limita la eficiencia del imán en condiciones de alta temperatura, como en las turbinas eólicas y los motores de vehículos híbridos. Se añade 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 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 van desde N28 hasta N55. 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 la predeterminada (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 no confiable? ]
Existen dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:
El polvo neo Nd-Fe-B adherido está unido a una matriz de un polímero termoplástico para formar los imanes. El material de aleación magnética se forma mediante enfriamiento por proyección en un tambor enfriado por agua. Esta cinta de metal se tritura hasta convertirla en 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 . Éste se peletiza para su almacenamiento y luego se le puede dar forma mediante moldeo por inyección . Durante el proceso de moldeo se aplica un campo magnético externo, orientando el campo del imán terminado. [24] [25]
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 orgánico/inorgánico" para formar una mezcla similar a la arcilla que se puede moldear en varias 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. [26] [27] [ necesita actualización ]
A partir de 2012, se producen oficialmente 50.000 toneladas de imanes de neodimio cada año en China, y 80.000 toneladas en un aumento "empresa por empresa" realizado en 2013. [28] China produce más del 95% de los 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. [29] [9]
Los imanes de neodimio han reemplazado a los imanes de álnico 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:
La mayor fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde los imanes no se usaban antes, como cierres magnéticos de joyería, aislamiento de aluminio, juegos de construcción magnéticos para niños (y otros juguetes con imanes de neodimio ) y como parte del mecanismo de cierre de los modernos. Equipo deportivo de paracaídas. [32] Son el metal principal de los anteriormente populares imanes de juguete de escritorio, "Buckyballs" y "Buckycubes", aunque algunos minoristas estadounidenses han optado por no venderlos por motivos de seguridad infantil, [ 33] y han sido prohibidos. en Canadá por la misma razón. [34] Si bien se levantó una prohibición similar en los Estados Unidos en 2016, el requisito de edad mínima recomendado por la CPSC ahora es 14 años, y ahora hay nuevos requisitos de etiquetas de advertencia. [35]
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 resonancia magnética (MRI) abiertos utilizados para obtener imágenes del cuerpo en los departamentos de radiología como una alternativa a los imanes superconductores que utilizan una bobina de superconductor. alambre para producir el campo magnético. [36]
Los imanes de neodimio se utilizan como un sistema antirreflujo colocado quirúrgicamente, que es una banda de imanes [37] implantados quirúrgicamente alrededor del esfínter esofágico inferior para tratar la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE). [38] También se han implantado en las yemas de los dedos para proporcionar percepción sensorial de campos magnéticos, [39] aunque se trata de un procedimiento experimental que sólo es popular entre biohackers y trituradores . [40]
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 partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes, o entre un imán y una superficie de metal ferroso, causando incluso fracturas de huesos. [41]
Los imanes que se acercan demasiado entre sí pueden golpearse entre sí con fuerza suficiente para astillar y romper los frágiles imanes, y las astillas voladoras pueden causar diversas lesiones, especialmente lesiones oculares . Incluso ha habido casos en los que niños pequeños que se han tragado varios imanes han quedado atrapados en secciones del tracto digestivo entre dos imanes, provocando lesiones o la muerte. [42] Además, esto podría representar un riesgo grave para la salud si se trabaja con máquinas que tienen imanes dentro o adheridos a ellas. [43]
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 máscaras de sombra de monitores tipo CRT a una distancia mayor que otros tipos de imanes. En algunos casos, los imanes desconchados pueden suponer un peligro de incendio cuando se juntan, haciendo volar chispas como si fueran un pedernal más ligero , porque algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio .