Imán de neodimio
Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB, NIB o Neo) es un imán permanente fabricado a partir de una aleación de neodimio, hierro y boro para formar la estructura cristalina tetragonal Nd2Fe14B.
Desarrollados de forma independiente en 1984 por General Motors y Sumitomo Special Metals, los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más potente disponible comercialmente.
Los imanes de neodimio son el tipo de imán de tierras raras más utilizado.
Los imanes de NdFeB se pueden clasificar en sinterizados o aglomerados, dependiendo del proceso de fabricación utilizado. Han reemplazado otros tipos de imanes en muchas aplicaciones de productos modernos que requieren imanes permanentes fuertes, como motores eléctricos en herramientas inalámbricas, unidades de disco duro y sujetadores magnéticos.
Historia
General Motors (GM) y Sumitomo Special Metals descubrieron de forma independiente el compuesto Nd2Fe14B casi simultáneamente en 1984. La investigación fue impulsada inicialmente por el alto contenido de materias primas. coste de los imanes permanentes de SmCo, que se habían desarrollado anteriormente. GM se centró en el desarrollo de imanes nanocristalinos de Nd2Fe14B hilado en fusión, mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd2Fe14B imanes.
GM comercializó sus inventos de polvo Neo isotrópico, neoimanes unidos y los procesos de producción relacionados al fundar Magnequench en 1986 (desde entonces, Magnequench se ha convertido en parte de Neo Materials Technology, Inc., que luego se fusionó con Molycorp). La empresa suministró polvo de Nd2Fe14B 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 Nd2Fe14B. Hitachi posee más de 600 patentes que cubren imanes de neodimio.
Did you mean:Chinese manufacturers have become a dominant force in neodymium magnet production, based on their control of much of the world 's rare-earth mines.
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. Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados en 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.
Propiedades
Propiedades magnéticas
En su forma pura, el neodimio tiene propiedades magnéticas (específicamente, es antiferromagnético), pero solo a bajas temperaturas, por debajo de 19 K (-254,2 °C; -425,5 °F). Pero algunos compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro son ferromagnéticos, con temperaturas de Curie muy por encima de 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 Nd2Fe14B tiene una anisotropía magnetocristalina uniaxial excepcionalmente alta (HA ≈ 7 T – intensidad del campo magnético H en unidades de A/m versus momento magnético en A·m2). Esto significa que un cristal del material se magnetiza preferentemente a lo largo de un eje de cristal específico, pero es muy difícil magnetizarlo 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, a diferencia de (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 Nd2Fe14B una magnetización de alta saturación (Js ≈ 1,6 T o 16 kG) y una magnetización remanente de normalmente 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 la energía magnética "ordinaria". imanes de ferrita 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 Nd2Fe14B se puede describir como capas alternas de átomos de hierro y un compuesto de neodimio-boro. Los átomos de boro diamagnéticos no contribuyen directamente al magnetismo, pero mejoran la cohesión mediante fuertes enlaces covalentes. 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 los imanes de samario-cobalto.
Los imanes de neodimio tienen una mayor remanencia, una coercitividad y un producto energético mucho mayores, pero a menudo tienen una temperatura de Curie más baja que 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. La siguiente tabla compara el rendimiento magnético de los imanes de neodimio con otros tipos de imanes permanentes.
| Magnet | Br (T) | Hci (kA/m) | BHmax (kJ/m3) | TC | |
|---|---|---|---|---|---|
| (°C) | (°F) | ||||
| Nd2Fe14B, sinterizado | 1.0–1.4 | 750 a 2000 | 200-440 | 310–400 | 590–752 |
| Nd2Fe14B, bonded | 0,60–0,7 | 600 a 1200 | 60 a 100 | 310–400 | 590–752 |
| SmCo5, sinterizado | 0.8–1.1 | 600 a 2000 | 120–200 | 720 | 1328 |
| Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7, sinterizado | 0.9–1.15 | 450–1300 | 150–240 | 800 | 1472 |
| Alnico, sinterizado | 0,6 a 1,4 | 275 | 10-88 | 700 a 860 | 1292–1580 |
| Sr-ferrite, sinterizado | 0,2–0,78 | 100 a 300 | 10 a 40 | 450 | 842 |
Propiedades físicas y mecánicas
| Propiedad | Neodymium | Sm-Co |
|---|---|---|
| Remanencia (T) | 1–1.5 | 0,8–1,16 |
| Coercivity (MA/m) | 0.875–2.79 | 0.493–2.79 |
| Permeabilidad del ajuste | 1.05 | 1.05–1.1 |
| Coeficiente de remanencia de temperatura (%/K) | (0,12 a 0,09) | −(0.05–0.03) |
| Coeficiente de temperatura de la coercividad (%/K) | (0,65–0,40) | (0,30 a 0,15) |
| Temperatura Curie (°C) | 310–370 | 700 a 850 |
| Densidad (g/cm3) | 7.3 a 7.7 | 8.2 a 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 |
| Fuerza flexible (N/mm)2) | 200 a 400 | 150–180 |
| Fuerza de compresión (N/mm)2) | 1000-1100 | 800–1000 |
| Fuerza de tensión (N/mm2) | 80-90 | 35 a 40 |
| Dureza de las víctimas (VH) | 500-650 | 400-650 |
| Resistencia eléctrica (Ω·cm) | (110–170)×10−6 | (50-90)×10−6 |
Corrosión
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 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 enchapados con níquel, níquel-cobre-níquel y zinc, aunque también se utilizan el enchapado con otros metales o revestimientos protectores de polímeros y lacas.
Sensibilidad a la temperatura
El neodimio tiene un coeficiente negativo, lo que significa que la coercitividad junto con la densidad de energía magnética (BHmax) disminuye con 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, 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.
Calificaciones
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 Curie), que van desde la predeterminada (hasta 80 °C o 176 °F) hasta TH (230 °C o 446 °F).
Calidades de imanes NdFeB sinterizados:
- N30 – N55
- N30M – N50M
- N30H – N50H
- N30SH – N48SH
- N30UH – N42UH
- N28EH – N40EH
- N28TH – N35TH
Producción
Existen dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:
- Metalurgia de polvo clásico o proceso de imán sinterizado
- Sinterizado Los Nd-magnets están preparados por las materias primas que se funden en un horno, se funden en un molde y se enfrían para formar ingots. Los ingots son pulverizados y molidos; el polvo se sinteriza en bloques densos. Los bloques son tratados con calor, cortados en forma, superficie tratada e magnetizada.
- Proceso rápido de solidificación o imán unido
- Bonded Nd-magnets se preparan girando una cinta delgada de la aleación NdFeB. La cinta contiene Nd orientado al azar2Fe14B granos nanoescala. Esta cinta se pulveriza en partículas, mezcladas con un polímero y moldeadas por compresión o inyección en imanes unidos.
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. Este se granula 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.
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. Lo más importante es que 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.
A partir de 2012, se producen oficialmente 50.000 toneladas de imanes de neodimio cada año en China, y 80.000 toneladas en & #34;empresa por empresa" acumulación realizada en 2013. 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.
Aplicaciones
Aplicaciones de imanes existentes
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:
- Actuadores de cabeza para discos duros de computadora
- Interruptores mecánicos de disparo de cigarrillos electrónicos
- Cerraduras para puertas
- Altavoces y auriculares
- altavoces de teléfono móvil, retroalimentación y actuadores de enfoque automático
- Rodamientos y acoplamientos magnéticos
- Espectrómetros NMR de Benchtop
- Motores eléctricos
- Herramientas inalámbricas
- Servomotores
- Motores de elevación y compresión
- Motores sincrónicos
- Motores de giro y escalón
- Dirección de alimentación eléctrica
- Motores para vehículos híbridos y eléctricos. Los motores eléctricos de cada Toyota Prius requieren un kilogramo (2.2 lb) de neodimio.
- Actuadores
- Generadores eléctricos para turbinas eólicas (sólo aquellos con excitación imán permanente)
- Coil de voz
- Retail media case decouplers
- En las industrias de proceso, potentes imanes de neodimio se utilizan para capturar cuerpos extranjeros y proteger productos y procesos
- Identificar metales preciosos en diversos objetos (cubertería, monedas, joyas, etc.)
Nuevas aplicaciones
La mayor fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde antes no se usaban imanes, como cierres magnéticos de joyería, juegos de construcción magnéticos para niños (y otros juguetes con imanes de neodimio) y como parte del mecanismo de cierre. de modernos equipos deportivos de paracaídas. Son el metal principal de los anteriormente populares imanes de juguete de escritorio, las "Buckyballs" y "Buckycubes", aunque algunos minoristas estadounidenses han optado por no venderlos por motivos de seguridad infantil, y han sido prohibidos en Canadá por la misma razón.
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 un Bobina de alambre superconductor para producir el campo magnético.
Los imanes de neodimio se utilizan como un sistema antirreflujo colocado quirúrgicamente, que es una banda de imanes implantados quirúrgicamente alrededor del esfínter esofágico inferior para tratar la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE). También se han implantado en las yemas de los dedos para proporcionar percepción sensorial de campos magnéticos, aunque se trata de un procedimiento experimental sólo popular entre biohackers y trituradores.
Peligros
Las fuerzas mayores 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.
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. Además, esto podría representar un riesgo grave para la salud si se trabaja con máquinas que tienen imanes dentro o adheridos a ellas.
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 representar un riesgo de incendio cuando se juntan, enviando chispas como si fueran un pedernal más ligero, porque algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio.