Un imán de tierras raras es un imán permanente potente 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 ha fabricado y producen campos magnéticos significativamente más fuertes que otros tipos, como los imanes de ferrita o alnico . El campo magnético que normalmente producen los imanes de tierras raras puede superar los 1,2 teslas , mientras que los imanes de ferrita o cerámicos suelen presentar campos de entre 0,5 y 1 tesla.
Existen 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 se los recubre o recubre para protegerlos de romperse, astillarse o desmenuzarse.
El desarrollo de los imanes de tierras raras comenzó alrededor de 1966, cuando KJ Strnat y G. Hoffer del Laboratorio de Materiales de la Fuerza Aérea de los EE. UU. descubrieron que una aleación de itrio y cobalto , YCo 5 , tenía con diferencia la constante de anisotropía magnética más grande de todos los materiales conocidos 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 vetas (como el carbón o el cobre), por lo que en cualquier kilómetro cúbico de corteza son "raros". [4] [5] China tiene la mayor producción [6] pero China importa cantidades significativas de mineral de tierras raras de Myanmar . 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 fuertes que no requieren 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 su magnetismo solo aparece a bajas temperaturas. Sin embargo, forman compuestos con los metales de transición como el hierro , el níquel y el cobalto , y algunos de estos compuestos tienen temperaturas de Curie muy por encima de la temperatura ambiente. Los imanes de tierras raras están hechos de estos compuestos.
La mayor resistencia de los imanes de tierras raras se debe principalmente a dos factores:
Algunas propiedades importantes que se utilizan para comparar los 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 ( 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 mayor remanencia, coercitividad y producto de energía mucho mayores, pero (para el neodimio) menor temperatura de Curie 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 - cobalto (fórmula química: SmCo 5 ), la primera familia de imanes de tierras raras inventados, son menos utilizados que los imanes de neodimio debido a su mayor costo y menor intensidad de 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 de samario-cobalto sinterizados 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 abreviado 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 , sujeciones magnéticas y cierres de joyería. Tienen la mayor intensidad de campo magnético y una coercitividad más alta (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 provocar que los imanes desprotegidos se desprendan de una capa superficial o se deshagan hasta convertirse en polvo. El uso de tratamientos de protección de la superficie, como el enchapado de oro , níquel , zinc y estaño y el revestimiento de resina epoxi, puede proporcionar protección contra la corrosión; la mayoría de los imanes de neodimio utilizan un enchapado de níquel para proporcionar una protección sólida.
En un principio, el elevado coste de estos imanes limitaba su uso a aplicaciones que requerían compacidad y una gran intensidad de campo. Tanto las materias primas como las licencias de patentes eran caras. Sin embargo, desde los años 90, los imanes NIB se han ido abaratando cada vez más y su menor coste 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 alnico y ferrita en las numerosas aplicaciones de la tecnología moderna que requieren imanes potentes. Su mayor resistencia 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 más grandes que 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, incluso causando huesos rotos. [16] Los imanes que se dejan acercar demasiado entre sí pueden golpearse entre sí con suficiente fuerza para astillar y romper el material frágil, y las astillas que salen despedidas pueden causar lesiones. A partir de 2005, los imanes potentes que se desprendían de juguetes o de juegos de construcción magnéticos comenzaron a causar lesiones y muertes. [17] A los niños pequeños que se han tragado varios imanes se les ha atrapado un pliegue del tracto digestivo entre los imanes, lo que ha provocado lesiones y, en un caso, perforaciones intestinales, sepsis y muerte. [18]
La ingestión de imanes pequeños, como 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 el intestino, perforando el intestino. [19] [20] Los Centros para el Control y Prevención de Enfermedades de los EE. UU. informaron 33 casos en 2010 que requirieron cirugía y una muerte. [21] [22] Los imanes han sido ingeridos tanto por niños pequeños como por adolescentes (que usaban los imanes para simular tener piercings en la lengua). [23]
En 2007 se adoptó una norma voluntaria para los juguetes, que fusiona permanentemente los imanes fuertes para evitar que se los traguen y limita la potencia de los imanes no conectados. [17] En 2009, un crecimiento repentino de las ventas de juguetes magnéticos de escritorio para adultos provocó un aumento de las lesiones, y se estima que las visitas a urgencias fueron de 3617 en 2012. [17] 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 los 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. [24] Después de que se anulara la norma, el número de incidentes de ingestión en el país aumentó drásticamente y se estima que superó los 1500 en 2019, lo que llevó a la CPSC a aconsejar a los niños menores de 14 años que no usaran los imanes. [17]
En 2009, la empresa estadounidense Maxfield & Oberton, fabricante de Buckyballs, decidió reempaquetar los imanes esféricos y venderlos como juguetes. [25] Buckyballs se lanzó en la Feria Internacional de Regalos de Nueva York en 2009 y se vendieron cientos de miles antes de que la Comisión de Seguridad de Productos para el Consumidor de EE. UU. emitiera un retiro del mercado de los envases etiquetados 13+. [26] Según la CPSC, se habían vendido 175.000 unidades al público. Menos de 50 fueron devueltas. [27] Los Buckyballs etiquetados "Keep Away From All Children" no fueron retirados del mercado. [ cita requerida ] Posteriormente, Maxfield & Oberton cambió todas las menciones de "juguete" a "juguete de escritorio", posicionando el producto como un calmante para el estrés para adultos y restringiendo las ventas de las tiendas que vendían principalmente productos para niños. [28]
En los Estados Unidos, como resultado de aproximadamente 2.900 visitas a 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 del Consumidor de los Estados Unidos (CPSC) ha iniciado un proceso de reglamentación para intentar restringir su venta. [29]
Una investigación posterior de 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 fueron involuntarios y el resultado del uso de los imanes para imitar perforaciones corporales como piercings en la lengua. [30] La comisión citó complicaciones ocultas si más de un imán se adhiere a los tejidos dentro del cuerpo. [ cita requerida ] Otro retiro del mercado se emitió para Buckyballs en 2012 junto con productos similares comercializados como juguetes en los EE. UU. Se presentaron retiros del mercado y quejas administrativas contra otras empresas estadounidenses similares. Maxfield & Oberton rechazó el retiro y continuó vendiendo sus juguetes de escritorio. La empresa lanzó una campaña política contra la CPSC, y Craig Zucker, el cofundador de la empresa, debatió con la comisión de seguridad en FOX News. [31]
En junio de 2012, debido a una carta de la senadora estadounidense Kirsten Gillibrand a la presidenta de la Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de Estados Unidos, Inez Tenenbaum , [32] la Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de Estados Unidos presentó quejas administrativas, intentando prohibir la venta de Buckyballs [33] y Zen Magnets. [34] Zen Magnets LLC es la primera empresa en recibir este tipo de queja sin registro de lesiones. [35] En noviembre de 2012, Buckyballs anunció que había detenido la producción debido a una demanda de la CPSC. [36]
En marzo de 2016, Zen Magnets (un fabricante de esferas magnéticas de neodimio) ganó en una importante audiencia judicial de 2014 sobre el peligro que planteaban las etiquetas de advertencia "defectuosas" en sus imanes esféricos. [37] Un tribunal de DC decidió [38] (CPSC Docket No: 12-2) que "el uso adecuado de Zen Magnets y Neoballs no crea exposición a peligro alguno". [39] A partir de enero de 2017, muchas marcas de esferas magnéticas, incluida 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 los EE. UU. que anuló la regulación de la CPSC de 2012 que prohibía estos productos y, por lo tanto, hizo que la venta de pequeños imanes de neodimio volviera a ser legal en los Estados Unidos. [40] Fue la primera derrota de este tipo de la CPSC en más de 30 años. [41]
Un estudio publicado en el Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition encontró un aumento significativo en la ingesta de imanes por parte de los niños después de 2017, incluido "un aumento de cinco veces en la intensificación de la atención por ingestas múltiples de imanes". [42] El 3 de junio de 2020, la CPSC presentó un "Paquete informativo para el personal en respuesta a la petición" a la comisión, incluso después de que se rescindiera la petición. En él se describe el deseo de realizar una investigación en 2021 con una propuesta de reglamentación sugerida en 2022 para su votación. [43]
A partir de 2019, los fabricantes están trabajando en un estándar voluntario similar en la ASTM . [44] El 26 de octubre de 2017, la CPSC presentó una queja administrativa contra Zen Magnets, alegando que los juegos de imanes contenían defectos de producto que creaban un riesgo sustancial de lesiones a los niños, declarando que "es ilegal según la ley federal que cualquier persona venda, ofrezca para la venta, fabrique, distribuya en el comercio o importe a los Estados Unidos cualquier Zen Magnets y Neoballs". [45]
La venta de “ciertos productos con imanes pequeños y potentes” está prohibida en Canadá desde 2015. [46]
En noviembre de 2012, tras una prohibición provisional en Nueva Gales del Sur , [47] entró en vigor una prohibición permanente de la venta de imanes de neodimio en toda Australia. [48]
En enero de 2013, el Ministro de Asuntos del Consumidor, Simon Bridges, anunció una prohibición de la importación y venta de juegos de imanes de neodimio en Nueva Zelanda, que entrará en vigor a partir del 24 de enero de 2013. [49]
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 Eléctricos) [50] de la Unión Europea está estudiando el diseño sostenible de los motores eléctricos utilizados en los vehículos. Por ejemplo, están diseñando motores eléctricos en los que los imanes se puedan 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 . [51]
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 comenzado a financiar dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) ha patrocinado un programa de Alternativas a las Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, la 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 Estados Unidos (CPSC) tiene conocimiento de al menos 33 casos de niños que resultaron heridos por la ingestión de imanes. Un bebé de 20 meses murió y al menos otros 19 niños de entre 10 meses y 11 años de edad necesitaron cirugía para extraer los imanes ingeridos.
habían tragado imanes después de usarlos como piercings de imitación en la lengua o el labio.