Un imán de neodimio (Nd-Fe-B)es un imán común de tierras raras compuesto de neodimio (Nd), hierro (Fe), boro (B) y metales de transición. Tienen un rendimiento superior en aplicaciones debido a su fuerte campo magnético, que es de 1,4 teslas (T), una unidad de inducción magnética o densidad de flujo.
Los imanes de neodimio se clasifican según su forma de fabricación, si están sinterizados o adheridos. Se han convertido en los imanes más utilizados desde su desarrollo en 1984.
En su estado natural, el neodimio es ferromagnético y sólo puede magnetizarse a temperaturas extremadamente bajas. Cuando se combina con otros metales, como el hierro, puede magnetizarse a temperatura ambiente.
Las capacidades magnéticas de un imán de neodimio se pueden ver en la imagen de la derecha.
Los dos tipos de imanes de tierras raras son el neodimio y el samario-cobalto. Antes del descubrimiento de los imanes de neodimio, los imanes de samario y cobalto eran los más utilizados, pero fueron reemplazados por imanes de neodimio debido al coste de fabricación de los imanes de samario y cobalto.
¿Cuáles son las propiedades de un imán de neodimio?
La principal característica de los imanes de neodimio es su potencia para su tamaño. El campo magnético de un imán de neodimio se produce cuando se le aplica un campo magnético y los dipolos atómicos se alinean, lo que es el bucle de histéresis magnética. Cuando se elimina el campo magnético, parte de la alineación permanece en el neodimio magnetizado.
Los grados de los imanes de neodimio indican su fuerza magnética. Cuanto mayor sea el número de grado, más fuerte será el poder del imán. Los números provienen de sus propiedades expresadas como mega gauss Oersteds o MGOe, que es el punto más fuerte de su Curva BH.
La escala de calificación "N" comienza en N30 y llega a N52, aunque los imanes N52 rara vez se usan o solo se usan en casos especiales. El número "N" puede ir seguido de dos letras, como SH, que indican la coercitividad del imán (Hc). Cuanto mayor sea el Hc, mayor será la temperatura que puede soportar el neoimán antes de perder su potencia.
El siguiente cuadro enumera los grados más comunes de imanes de neodimio que se utilizan actualmente.
Las propiedades de los imanes de neodimio
Remanencia:
Cuando el neodimio se coloca en un campo magnético, los dipolos atómicos se alinean. Después de ser retirada del campo, una parte de la alineación permanece creando neodimio magnetizado. La remanencia es la densidad de flujo que queda cuando el campo externo regresa de un valor de saturación a cero, que es la magnetización residual. Cuanto mayor sea la remanencia, mayor será la densidad de flujo. Los imanes de neodimio tienen una densidad de flujo de 1,0 a 1,4 T.
La remanencia de los imanes de neodimio varía según cómo estén fabricados. Los imanes de neodimio sinterizados tienen una T de 1,0 a 1,4. Los imanes de neodimio adheridos tienen entre 0,6 y 0,7 T.
Coercitividad:
Una vez magnetizado el neodimio, no vuelve a la magnetización cero. Para que vuelva a tener una magnetización cero, tiene que ser impulsado por un campo en la dirección opuesta, lo que se llama coercitividad. Esta propiedad de un imán es su capacidad para resistir la influencia de una fuerza magnética externa sin desmagnetizarse. La coercitividad es la medida de la intensidad necesaria de un campo magnético para reducir la magnetización de un imán a cero o la resistencia de un imán a desmagnetizar.
La coercitividad se mide en unidades de oersted o amperios etiquetadas como Hc. La coercitividad de los imanes de neodimio depende de cómo se fabrican. Los imanes de neodimio sinterizados tienen una coercitividad de 750 Hc a 2000 Hc, mientras que los imanes de neodimio adheridos tienen una coercitividad de 600 Hc a 1200 Hc.
Producto energético:
La densidad de la energía magnética se caracteriza por el valor máximo de la densidad de flujo multiplicado por la intensidad del campo magnético, que es la cantidad de flujo magnético por unidad de superficie. Las unidades se miden en teslas para las unidades SI y su Gauss, siendo B el símbolo de densidad de flujo. La densidad de flujo magnético es la suma del campo magnético externo H y la polarización magnética del cuerpo magnético J en unidades SI.
Los imanes permanentes tienen un campo B en su núcleo y sus alrededores. La dirección de la intensidad del campo B se atribuye a los puntos dentro y fuera del imán. La aguja de una brújula en el campo B de un imán apunta hacia la dirección del campo.
No existe una forma sencilla de calcular la densidad de flujo de formas magnéticas. Existen programas informáticos que pueden realizar el cálculo. Se pueden utilizar fórmulas simples para geometrías menos complejas.
La intensidad de un campo magnético se mide en Gauss o Teslas y es la medida común de la fuerza de un imán, que es una medida de la densidad de su campo magnético. Se utiliza un medidor de Gauss para medir la densidad de flujo de un imán. La densidad de flujo de un imán de neodimio es de 6000 Gauss o menos porque tiene una curva de desmagnetización en línea recta.
Temperatura de Curie:
La temperatura de Curie, o punto de Curie, es la temperatura a la que los materiales magnéticos experimentan un cambio en sus propiedades magnéticas y se vuelven paramagnéticos. En los metales magnéticos, los átomos magnéticos están alineados en la misma dirección y refuerzan el campo magnético de cada uno. El aumento de la temperatura del curie cambia la disposición de los átomos.
La coercitividad aumenta a medida que aumenta la temperatura. Aunque los imanes de neodimio tienen una alta coercitividad a temperatura ambiente, ésta disminuye a medida que aumenta la temperatura hasta alcanzar la temperatura curie, que puede rondar los 320 °C o 608 °F.
Independientemente de lo fuertes que puedan ser los imanes de neodimio, las temperaturas extremas pueden alterar sus átomos. La exposición prolongada a altas temperaturas puede hacer que pierdan por completo sus propiedades magnéticas, que comienzan a 80° C o 176° F.
¿Cómo se fabrican los imanes de neodimio?
Los dos procesos utilizados para fabricar imanes de neodimio son la sinterización y el pegado. Las propiedades de los imanes terminados varían dependiendo de cómo se produzcan, siendo la sinterización el mejor de los dos métodos.
Cómo se fabrican los imanes de neodimio
Sinterización
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Fusión:
El neodimio, el hierro y el boro se miden y se colocan en un horno de inducción al vacío para formar una aleación. Se agregan otros elementos para grados específicos, como cobalto, cobre, gadolinio y disprosio para ayudar con la resistencia a la corrosión. El calentamiento se crea mediante corrientes parásitas eléctricas en el vacío para mantener alejados los contaminantes. La mezcla de neoaleación es diferente para cada fabricante y grado de imán de neodimio.
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Espolvorear:
La aleación fundida se enfría y se le da forma de lingotes. Los lingotes se muelen a chorro en una atmósfera de nitrógeno y argón para crear un polvo del tamaño de una micra. El polvo de neodimio se introduce en una tolva para prensarlo.
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Prensado:
El polvo se prensa en una matriz ligeramente más grande que la forma deseada mediante un proceso conocido como recalcado a una temperatura de aproximadamente 725 °C. La forma más grande de la matriz permite la contracción durante el proceso de sinterización. Durante el prensado, el material está expuesto a un campo magnético. Se coloca en un segundo troquel para presionarlo en una forma más amplia para alinear la magnetización paralela a la dirección de prensado. Algunos métodos incluyen accesorios para generar campos magnéticos durante el prensado para alinear las partículas.
Antes de soltar el imán presionado, recibe un pulso desmagnetizador para dejarlo desmagnetizado y crear un imán verde, que se desmorona fácilmente y tiene propiedades magnéticas deficientes.
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Sinterización:
La sinterización, o frittage, compacta y forma el imán verde utilizando calor por debajo de su punto de fusión para darle sus propiedades magnéticas finales. El proceso se controla cuidadosamente en una atmósfera inerte y libre de oxígeno. Los óxidos pueden destruir el rendimiento de un imán de neodimio. Se comprime a temperaturas que alcanzan los 1080° C pero por debajo de su punto de fusión para obligar a las partículas a adherirse entre sí.
Se aplica un enfriamiento rápido para enfriar rápidamente el imán y minimizar las fases, que son variantes de la aleación que tienen propiedades magnéticas deficientes.
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Mecanizado:
Los imanes sinterizados se muelen utilizando herramientas de corte de alambre o diamante para darles forma con las tolerancias correctas.
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Galjanoplastia y revestimiento:
El neodimio se oxida rápidamente y es propenso a la corrosión, lo que puede eliminar sus propiedades magnéticas. Como protección, se recubren con plástico, níquel, cobre, zinc, estaño u otras formas de revestimiento.
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Magnetización:
Aunque el imán tiene una dirección de magnetización, no está magnetizado y debe exponerse brevemente a un fuerte campo magnético, que es una bobina de alambre que rodea el imán. La magnetización implica condensadores y alto voltaje para producir una corriente fuerte.
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Inspección final:
Los proyectores de medición digitales verifican las dimensiones y la tecnología de fluorescencia de rayos X verifica el espesor del revestimiento. El recubrimiento se prueba de otras formas para garantizar su calidad y resistencia. La curva BH se prueba mediante un gráfico de histéresis para confirmar el aumento total.
Vinculación
La unión, o unión por compresión, es un proceso de prensado que utiliza una mezcla de polvo de neodimio y un agente aglutinante epoxi. La mezcla es 97% de material magnético y 3% de epoxi.
La mezcla de epoxi y neodimio se comprime en una prensa o se extruye y se cura en un horno. Dado que la mezcla se presiona en una matriz o se somete a extrusión, los imanes se pueden moldear en formas y configuraciones complejas. El proceso de unión por compresión produce imanes con tolerancias estrictas y no requiere operaciones secundarias.
Los imanes unidos por compresión son isotrópicos y pueden magnetizarse en cualquier dirección, lo que incluye configuraciones multipolares. La unión epoxi hace que los imanes sean lo suficientemente fuertes como para ser fresados o torneados, pero no perforados ni roscados.
Sinterizado Radial
Los imanes de neodimio orientados radialmente son los imanes más nuevos del mercado. El proceso para producir imanes alineados radialmente se conoce desde hace muchos años pero no era rentable. Los recientes avances tecnológicos han simplificado el proceso de fabricación, haciendo que los imanes orientados radialmente sean más fáciles de producir.
Los tres procesos para fabricar imanes de neodimio alineados radialmente son el moldeo por presión anisotrópica, la extrusión hacia atrás por prensado en caliente y la alineación del campo giratorio radial.
El proceso de sinterización garantiza que no haya puntos débiles en la estructura del imán.
La cualidad única de los imanes alineados radialmente es la dirección del campo magnético, que se extiende alrededor del perímetro del imán. El polo sur del imán está en el interior del anillo, mientras que el polo norte está en su circunferencia.
Los imanes de neodimio orientados radialmente son anisotrópicos y se magnetizan desde el interior del anillo hacia el exterior. La magnetización radial aumenta la fuerza magnética de los anillos y se puede moldear en múltiples patrones.
Los imanes de anillo de neodimio radiales se pueden utilizar para motores síncronos, motores paso a paso y motores de CC sin escobillas para las industrias automotriz, informática, electrónica y de comunicaciones.
Aplicaciones de los imanes de neodimio
Transportadores de separación magnética:
En la siguiente demostración, la cinta transportadora está cubierta con imanes de neodimio. Los imanes están dispuestos con polos alternos hacia afuera, lo que les da una fuerte sujeción magnética. Los objetos que no son atraídos por los imanes se caen, mientras que el material ferromagnético se deja caer en un recipiente colector.
Unidades de disco duro:
Los discos duros tienen pistas y sectores con celdas magnéticas. Las celdas se magnetizan cuando se escriben datos en la unidad.
Pastillas de guitarra eléctrica:
Una pastilla de guitarra eléctrica detecta la vibración de las cuerdas y convierte la señal en una corriente eléctrica débil para enviarla a un amplificador y un altavoz. Las guitarras eléctricas son diferentes a las guitarras acústicas que amplifican su sonido en la caja hueca debajo de las cuerdas. Las guitarras eléctricas pueden ser de metal macizo o de madera y su sonido se amplifica electrónicamente.
Tratamiento de Agua:
Los imanes de neodimio se utilizan en el tratamiento del agua para reducir las incrustaciones del agua dura. El agua dura tiene un alto contenido mineral de calcio y magnesio. Con el tratamiento magnético del agua, el agua pasa a través de un campo magnético para capturar las incrustaciones. La tecnología no ha sido completamente aceptada como efectiva. Ha habido resultados alentadores.
Interruptores de láminas:
Un interruptor de láminas es un interruptor eléctrico operado por un campo magnético. Disponen de dos contactos y lengüetas metálicas en una envoltura de cristal. Los contactos del interruptor están abiertos hasta que un imán los activa.
Los interruptores de láminas se utilizan en sistemas mecánicos como sensores de proximidad en puertas y ventanas para sistemas de alarma antirrobo y a prueba de manipulaciones. En las computadoras portátiles, los interruptores de láminas ponen la computadora portátil en modo de suspensión cuando la tapa está cerrada. Los teclados de pedal para órganos de tubos utilizan interruptores de lengüeta que se encuentran en una caja de vidrio para los contactos para protegerlos de la suciedad, el polvo y los residuos.
Imanes de costura:
Los imanes de neodimio para coser se utilizan para cierres magnéticos en carteras, ropa y carpetas o carpetas. Los imanes de costura se venden en pares, siendo un imán a+ y el otro a-.
Imanes para dentaduras postizas:
Las dentaduras postizas se pueden mantener en su lugar mediante imanes incrustados en la mandíbula del paciente. Los imanes están protegidos de la corrosión causada por la saliva mediante un revestimiento de acero inoxidable. Se aplica nitruro de titanio cerámico para evitar la abrasión y reducir la exposición al níquel.
Topes de puerta magnéticos:
Los topes magnéticos son un tope mecánico que mantiene la puerta abierta. La puerta se abre, toca un imán y permanece abierta hasta que la puerta se desprende del imán.
Cierre de joyería:
Los cierres magnéticos para joyería vienen con dos mitades y se venden en pares. Las mitades tienen un imán en una carcasa de material no magnético. Un lazo de metal en el extremo sujeta la cadena de una pulsera o collar. Las carcasas de los imanes encajan entre sí evitando el movimiento de lado a lado o de corte entre los imanes para proporcionar una sujeción resistente.
Oradores:
Los parlantes convierten la energía eléctrica en energía mecánica o movimiento. La energía mecánica comprime el aire y convierte el movimiento en energía sonora o nivel de presión sonora. Una corriente eléctrica, enviada a través de una bobina de alambre, crea un campo magnético en un imán adherido al altavoz. La bobina móvil es atraída y repelida por el imán permanente, lo que hace que el cono al que está unida la bobina móvil se mueva hacia adelante y hacia atrás. El movimiento de los conos crea ondas de presión que se escuchan como sonido.
Sensores de frenos antibloqueo:
En los frenos antibloqueo, los imanes de neodimio están envueltos dentro de bobinas de cobre en los sensores del freno. Un sistema de frenos antibloqueo controla la velocidad de aceleración y desaceleración de las ruedas regulando la presión de línea aplicada al freno. Las señales de control, generadas por el controlador y aplicadas a la unidad moduladora de la presión de freno, se toman de los sensores de velocidad de las ruedas.
Los dientes del anillo del sensor giran más allá del sensor magnético, lo que provoca una inversión de polaridad del campo magnético que envía una señal de frecuencia a la velocidad angular del eje. La diferenciación de la señal es la aceleración de las ruedas.
Consideraciones sobre el imán de neodimio
Al ser los imanes más potentes y fuertes del mundo, los imanes de neodimio pueden tener efectos negativos dañinos. Es importante que se manejen adecuadamente teniendo en cuenta el daño que pueden causar. A continuación se describen algunos de los efectos negativos de los imanes de neodimio.
Efectos negativos de los imanes de neodimio
Lesiones corporales:
Los imanes de neodimio pueden saltar entre sí y pellizcar la piel o provocar lesiones graves. Pueden saltar o chocar entre sí desde varios centímetros hasta varios pies de distancia. Si un dedo estorba, puede romperse o sufrir daños graves. Los imanes de neodimio son más potentes que otros tipos de imanes. La fuerza increíblemente poderosa entre ellos a menudo puede resultar sorprendente.
Rotura del imán:
Los imanes de neodimio son frágiles y pueden pelarse, astillarse, agrietarse o romperse si chocan entre sí, lo que hace que pequeñas piezas metálicas afiladas salgan volando a gran velocidad. Los imanes de neodimio están hechos de un material duro y quebradizo. A pesar de estar fabricados en metal y tener un aspecto metálico brillante, no son duraderos. Se debe usar protección para los ojos al manipularlos.
Mantener alejado de los niños:
Los imanes de neodimio no son juguetes. No se debe permitir que los niños los manipulen. Los pequeños pueden representar un peligro de asfixia. Si se ingieren varios imanes, se adhieren entre sí a través de las paredes del intestino, lo que provocará graves problemas de salud que requerirán una cirugía de emergencia inmediata.
Peligro para los marcapasos:
Una intensidad de campo de diez gauss cerca de un marcapasos o desfibrilador puede interactuar con el dispositivo implantado. Los imanes de neodimio crean fuertes campos magnéticos que pueden interferir con marcapasos, DAI y dispositivos médicos implantados. Muchos dispositivos implantados se desactivan cuando están cerca de un campo magnético.
Medios magnéticos:
Los fuertes campos magnéticos de los imanes de neodimio pueden dañar medios magnéticos como disquetes, tarjetas de crédito, tarjetas de identificación magnéticas, cintas de casete, cintas de video, dañar televisores, videograbadoras, monitores de computadora y pantallas CRT más antiguos. No deben colocarse cerca de aparatos electrónicos.
GPS y teléfonos inteligentes:
Los campos magnéticos interfieren con brújulas o magnetómetros y brújulas internas de teléfonos inteligentes y dispositivos GPS. La Asociación de Transporte Aéreo Internacional y las normas y reglamentos federales de EE. UU. cubren el envío de imanes.
Alergia al níquel:
Si tiene alergia al níquel, el sistema inmunológico confunde el níquel con un intruso peligroso y produce sustancias químicas para luchar contra él. Una reacción alérgica al níquel es enrojecimiento y erupción cutánea. Las alergias al níquel son más comunes en mujeres y niñas. Aproximadamente, el 36 por ciento de las mujeres menores de 18 años tienen alergia al níquel. La forma de evitar la alergia al níquel es evitar los imanes de neodimio recubiertos de níquel.
Desmagnetización:
Los imanes de neodimio conservan su efectividad hasta 80° C o 175° F. La temperatura a la que comienzan a perder su efectividad varía según el grado, la forma y la aplicación.
Inflamable:
Los imanes de neodimio no se deben taladrar ni mecanizar. El polvo y los polvos producidos durante la molienda son inflamables.
Corrosión:
Los imanes de neodimio tienen un acabado con algún tipo de revestimiento o enchapado para protegerlos de los elementos. No son impermeables y se oxidarán o corroerán si se colocan en ambientes mojados o húmedos.
Estándares y regulaciones para el uso de imanes de neodimio
Aunque los imanes de neodimio tienen un campo magnético fuerte, son muy frágiles y requieren un manejo especial. Varias agencias de monitoreo industrial han desarrollado regulaciones sobre el manejo, fabricación y envío de imanes de neodimio. A continuación se incluye una breve descripción de algunas de las regulaciones.
Normas y regulaciones para imanes de neodimio
Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos:
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) tiene estándares para dispositivos de elevación debajo del gancho. La norma B30.20 se aplica a la instalación, inspección, prueba, mantenimiento y operación de dispositivos de elevación, que incluye imanes de elevación donde el operador coloca el imán en la carga y guía la carga. El estándar ASME BTH-1 se aplica junto con ASME B30.20.
Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control:
El Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (APPCC) es un sistema de gestión preventiva de riesgos reconocido internacionalmente. Examina la seguridad alimentaria frente a peligros biológicos, químicos y físicos al exigir la identificación y el control de los peligros en ciertos puntos del proceso de producción. Ofrece certificación para equipos utilizados en instalaciones de alimentos. HACCP ha identificado y certificado ciertos imanes de separación utilizados en la industria alimentaria.
Departamento de Agricultura de los Estados Unidos:
El equipo de separación magnética ha sido aprobado por el Servicio de Comercialización Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos por cumplir con dos programas de procesamiento de alimentos:
- Programa de revisión de equipos lácteos
- Programa de revisión de equipos para carnes y aves de corral
La certificación se basa en dos estándares o lineamientos:
- Diseño sanitario y fabricación de equipos de procesamiento de lácteos.
- Diseño sanitario y fabricación de equipos de procesamiento de carnes y aves de corral que cumplen con los requisitos de higiene NSF/ANSI/3-A SSI 14159-1-2014
Restricción de uso de sustancias peligrosas:
Las regulaciones de restricción de uso de sustancias peligrosas (RoHS) limitan el uso de retardantes de llama de plomo, cadmio, bifenilo polibromado (PBB), mercurio, cromo hexavalente y éter de difenilo polibromado (PBDE) en equipos electrónicos. Dado que los imanes de neodimio pueden ser peligrosos, RoHS ha desarrollado normas para su manipulación y uso.
Organización de Aviación Civil Internacional:
Se determina que los imanes son una mercancía peligrosa para envíos fuera de los Estados Unidos continentales a destinos internacionales. Cualquier material empaquetado que se envíe por vía aérea debe tener una intensidad de campo magnético de 0,002 Gauss o más a una distancia de siete pies desde cualquier punto de la superficie del paquete.
Administración Federal de Aviación:
Los paquetes que contienen imanes que se envían por vía aérea deben someterse a pruebas para cumplir con los estándares establecidos. Los paquetes magnéticos deben medir menos de 0,00525 gauss a 15 pies del paquete. Los imanes potentes y fuertes deben tener algún tipo de protección. Existen numerosas regulaciones y requisitos que deben cumplirse para el envío de imanes por vía aérea debido a los posibles riesgos para la seguridad.
Restricción, Evaluación, Autorización de Productos Químicos:
Restricción, Evaluación y Autorización de Productos Químicos (REACH) es una organización internacional que forma parte de la Unión Europea. Regula y desarrolla normas para materiales peligrosos. Cuenta con varios documentos que especifican el uso, manejo y fabricación adecuados de los imanes. Gran parte de la literatura hace referencia al uso de imanes en dispositivos médicos y componentes electrónicos.
Conclusión
- Los imanes de neodimio (Nd-Fe-B), conocidos como neoimanes, son imanes comunes de tierras raras compuestos de neodimio (Nd), hierro (Fe), boro (B) y metales de transición.
- Los dos procesos utilizados para fabricar imanes de neodimio son la sinterización y el pegado.
- Los imanes de neodimio se han convertido en los más utilizados de muchas variedades de imanes.
- El campo magnético de un imán de neodimio se produce cuando se le aplica un campo magnético y los dipolos atómicos se alinean, lo que es el bucle de histéresis magnética.
- Los imanes de neodimio se pueden producir en cualquier tamaño, pero conservan su fuerza magnética inicial.
Hora de publicación: 11-jul-2022