¿Qué son los imanes de neodimio y para qué sirven?

Introducción

Los imanes de neodimio son imanes superfuertes elaborados con tierras raras (elementos químicos especiales) que producen un intenso campo magnetico y son los imanes permanentes más potentes del mundo. También se les conoce como imanes NdFeB, NIB o Neo, porque están compuestos principalmente de una aleación de neodimio (Nd), hierro (Fe) y boro (B) para formar la estructura cristalina tetragonal Nd2Fe14B. Son una invención relativamente nueva y solo recientemente se han vuelto asequibles para el uso diario. El imán de neodimio es el tipo de imán de tierras raras más utilizado. Se estima que el contenido de neodimio es del 31% del peso del imán

Si nunca antes ha manejado imanes de neodimio, se sorprenderá de su gran fuerza. Los imanes de neodimio son más de 10 veces más fuertes que los imanes de ferrita más fuertes (estos son de color negro y también son conocidos como imanes cerámicos). Si actualmente utiliza imanes cerámicos en su proyecto, probablemente podría usar un imán de neodimio mucho más pequeño y tener una mayor fuerza de retención. Las aplicaciones potenciales para los imanes de neodimio son ilimitadas.

Desarrollados independientemente en 1982 por General Motors y Sumitomo Special Metals, los imanes de neodimio son el tipo más fuerte de imán permanente disponible comercialmente. Debido a los diferentes procesos de fabricación, también se dividen en dos subcategorías, a saber, imanes NdFeB sinterizados (fabricados mediante el prensado de polvos o materias metálicas o plásticas que previamente han sido calentadas sin llegar a la fusión) e imanes NdFeB unidos. Han reemplazado otros tipos de imanes en muchas aplicaciones en productos modernos que requieren imanes permanentes fuertes, tales como motores en herramientas inalámbricas, unidades de disco duro y broches o seguros magnéticos. Tales imanes pueden levantar fácilmente miles de veces su propio peso.

Propiedades

El neodimio puro es un metal ferromagnético (más específicamente, muestra propiedades antiferromagnéticas), lo que significa que, como el hierro, puede magnetizarse para convertirse en un imán, pero su Temperatura de Curie (temperatura por encima de la cual el material pierde su magnetismo) es de 19 K (−254.2°C ; −425.5°F), por lo que en forma pura su magnetismo solo aparece a temperaturas extremadamente bajas. Sin embargo, los compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro pueden tener temperaturas de Curie muy superiores a la temperatura ambiente, y estos se utilizan para fabricar imanes de neodimio. Los imanes de neodimio tienen a menudo una Temperatura de Curie en el rango de 310–370°C, la cual es menor que en otros tipos de imanes pero suficientemente alta para la gran mayoria de aplicaciones. Se han desarrollado aleaciones especiales de imán de neodimio que incluyen terbio y disprosio que tienen una temperatura de Curie más alta, lo que les permite tolerar temperaturas aún mayores.

La fuerza de los imanes de neodimio se debe a varios factores. Lo más importante es que la estructura cristalina tetragonal de Nd2Fe14B tiene una anisotropía magnetocristalina uniaxial excepcionalmente alta. 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 de imán de neodimio está compuesta de microcristalinos: granos que se alinean en un poderoso campo magnético durante la fabricación, por lo que todos sus ejes magnéticos apuntan en la misma dirección. La resistencia de la red cristalina a girar su dirección de magnetización le da al compuesto una muy alta coercitividad o resistencia a la desmagnetización.

El átomo de neodimio también puede tener un gran momento dipolar magnético porque tiene 4 electrones no apareados en su estructura electrónica (el átomo de hierro tiene solo 3 en promedio). En un imán, son los electrones no apareados, alineados para que giren en la misma dirección, los que generan el campo magnético. Esto le da al compuesto Nd2Fe14B una magnetización de alta saturación y una magnetización remanente típica de 1.3 teslas, por lo tanto tiene el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética. Este valor de energía magnética es aproximadamente 18 veces mayor que en 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 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 puede describirse como capas alternas de átomos de hierro y un compuesto de neodimio-boro. Los átomos de boro diamagnéticos no contribuyen directamente al magnetismo, sino que mejoran la cohesión mediante enlaces covalentes fuertes. El contenido relativamente bajo de tierras raras (12% en volumen) y la abundancia relativa de neodimio y hierro en comparación con el samario y el cobalto hace que los imanes de neodimio sean más baratos que los imanes de samario y cobalto.

Historia

General Motors (GM) y Sumitomo Special Metals descubrieron independientemente el compuesto Nd2Fe14B casi simultáneamente en 1984. La investigación fue impulsada inicialmente por el alto costo de las materias primas de los imanes permanentes SmCo (samario-cobalto), que se habían desarrollado anteriormente. GM se centró en el desarrollo de imanes Nd2Fe14B nanocristalinos hilados por fusión, mientras que Sumitomo desarrolló imanes Nd2Fe14B sinterizados de densidad completa.

GM comercializó sus invenciones de polvo isotrópico Neo, imanes neo unidos y los procesos de producción relacionados al fundar Magnequench en 1986 (Magnequench se ha convertido en parte de Neo Materials Technology, Inc., que luego se fusionó con Molycorp). La compañía suministró polvo de Nd2Fe14B hilado por fusión a fabricantes de imanes unidos.

La instalación de Sumitomo se convirtió en parte de la Corporación Hitachi, y actualmente fabrica y otorga licencias a otras compañías para producir imanes sinterizados Nd2Fe14B. Hitachi posee más de 600 patentes que cubren imanes de neodimio.

Los fabricantes chinos se han convertido en una fuerza dominante en la producción de imanes de neodimio, en función de su control de gran parte de las fuentes mundiales de minas de tierras raras.

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 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 sustitutos de tierras raras.

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 la competencia geopolítica en un mundo que funciona con energía renovable. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no usan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para la expansión de la producción.

Producción

Existen dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:

  • Metalurgia de polvos clásica o proceso de imán sinterizado
  • Proceso de solidificación rápida o imán unido

Los imanes de Nd sinterizados se preparan con las materias primas que se funden en un horno, se moldean y se enfrían para formar lingotes. Los lingotes se pulverizan y muelen; el polvo se sinteriza en bloques densos. Los bloques son luego tratados térmicamente, cortados a la forma, tratados en la superficie y magnetizados.

En 2015, Nitto Denko Corporation de Japón anunció su desarrollo de un nuevo método para sinterizar material de imán de neodimio. El método explota una "tecnología híbrida orgánica / inorgánica" para formar una mezcla similar a la arcilla que puede moldearse en varias formas para la sinterización. Lo más importante, 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, 50.000 toneladas de imanes de neodimio se producen oficialmente cada año en China, y 80.000 toneladas en una acumulación "compañía por compañía" 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.

Grados

N35, N38, N42, N38SH ... ¿qué significa todo esto?.
Los imanes de neodimio se clasifican de acuerdo a su rendimiento, que se relaciona con la cantidad de flujo magnético por unidad de volumen. Como regla general, cuanto mayor es el grado (el número que sigue a la 'N'), más fuertes son los imanes. Para los imanes de NdFeB sinterizados, existe una clasificación internacional ampliamente reconocida. Sus valores oscilan entre 28 y 52, siendo 52 el grado más alto de imán de neodimio actualmente disponible. La primera letra N antes de los valores es la abreviatura de neodimio, que significa imanes de NdFeB sinterizados. Las letras que siguen los valores indican las temperaturas máximas de funcionamiento, que van desde el valor predeterminado o temperatura estándar si no hay letras siguiendo el grado (80°C/176°F)  hasta AH (230°C/446°F).

Grados de imanes de NdFeB sinterizados:

N30 - N52 (temperatura máxima de funcionamiento: 80°C)
N30M - N50M
N30H - N50H
N30SH - N48SH
N30UH - N42UH
N28EH - N40EH
N28AH - N35AH (temperatura máxima de funcionamiento: 230°C)

Problemas de corrosión

Los imanes sinterizados Nd2Fe14B tienden a ser vulnerables a la corrosión. Este tipo de corrosión puede causar un deterioro grave, incluido el desmoronamiento de un imán en un polvo de pequeñas partículas magnéticas o el desprendimiento de una capa superficial. Esta vulnerabilidad se aborda en muchos productos comerciales al agregar un recubrimiento protector para evitar la exposición a la atmósfera. Los imanes de neodimio son una composición en su mayoría de neodimio, hierro y boro. Si se deja expuesto a los elementos el imán se oxidará. Para proteger el imán de la corrosión y fortalecerlo ya que es frágil, generalmente es preferible recubrir el imán. Hay una variedad de opciones para los recubrimientos, pero el níquel es el más común y generalmente el preferido. Los métodos estándar son el niquelado simple, el niquelado de cobre y níquel de dos capas, el chapado en triple capa de níquel, cobre y níquel de nuevo. Este revestimiento triple hace que los imanes sean mucho más duraderos que los imanes de níquel simple más comunes. Algunas otras opciones para el recubrimiento son zinc, estaño, cobre, epoxi, plata, oro y recubrimientos protectores de polímeros y lacas. Existen imanes chapados en oro, que en realidad son recubiertos con cuatro capas de níquel, cobre, níquel y una capa superior de oro.

Efectos de la temperatura

El neodimio tiene un coeficiente negativo de temperatura, lo que significa que el magnetismo disminuye con la temperatura. Los imanes de neodimio-hierro-boro tienen un fuerte magnetismo a temperatura ambiente, sin embargo, comenzarán a perder fuerza si se calientan por encima de su temperatura máxima de funcionamiento, que es de 80°C para los grados N estándar; a medida que la temperatura sube por encima de 100°C (212°F), el magnetismo disminuye drásticamente hasta desaparecer completamente al alcanzar la temperatura de Curie (alrededor de 310°C para los grados N estándar). Esto limita la eficiencia del imán en condiciones de alta temperatura, como en molinos de viento, motores híbridos, etc. Algunos de los imanes son de material de alta temperatura, que puede soportar temperaturas más altas sin perder magnetización, para ello 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 sea aún más caro.
Los imanes de tierras raras tienen una alta resistencia a la desmagnetización, a diferencia de la mayoría de otros tipos de imanes. No perderán su magnetización alrededor de otros imanes o si se caen o golpean.

Peligros

Las grandes fuerzas magnéticas ejercidas por los imanes de tierras raras crean peligros que no suelen 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 un imán y una superficie de metal ferroso, incluso causando huesos rotos. Los imanes que se acercan demasiado pueden golpearse entre sí con la fuerza suficiente para astillarse y destrozarse a sí mismos, y las astillas que vuelan pueden causar varias lesiones, especialmente lesiones oculares. Incluso ha habido casos en los que los niños pequeños que se han tragado varios imanes han tenido secciones del tracto digestivo atrapadas entre dos imanes, causando lesiones o la muerte. También esto podría ser un grave riesgo para la salud si se trabaja con máquinas que tienen imanes o a las cuales se les adhiere algun iman. 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 astillados pueden actuar como un peligro de incendio cuando chocan, enviando chispas volando como si fuera un pedernal, porque algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio (un material que produce chispas cuando se golpea con fuerza).

Fragilidad

El material de neodimio es frágil y propenso a astillarse y agrietarse, por lo que no se mecaniza bien con métodos convencionales. Mecanizar los imanes generará calor, que si no se controla cuidadosamente, puede desmagnetizar el imán o incluso encender el material que es tóxico cuando se quema. Se recomienda que los imanes no se mecanicen. No permita que estos imanes choquen con un objeto duro. El choque con otro objeto debido a la intensa fuerza de atracción puede romper fácilmente el imán.

Aplicaciones

Los imanes de neodimio han reemplazado a los imanes de alnico 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 ligeros para una aplicación determinada. Algunos ejemplos son:

  • La mayoría de las unidades de disco duro incorporan imanes fuertes
  • Se utilizan imanes de neodimio para generar electricidad.
  • Actuadores de cabezales para discos duros de computadora
  • Cabezales de borrado para grabadoras de cassette baratas
  • Interruptores mecánicos de encendido de cigarrillos electrónicos.
  • Cerraduras para puertas
  • Altavoces y auriculares
  • Altavoces para teléfonos móviles, retroalimentación táctica y actuadores de enfoque automático
  • Rodamientos y acoplamientos magnéticos.
  • Espectrómetros de mesa NMR
  • Bobinas de parlantes
  • En las industrias se utilizan potentes imanes de neodimio para atrapar cuerpos extraños y proteger productos y procesos
  • Motores electricos:

Herramientas inalámbricas
Servomotores
Motores de elevación y compresores.
Motores síncronos
Husillos y motores paso a paso.
Dirección asistida eléctrica
Motores de accionamiento para vehículos híbridos y eléctricos. Los motores eléctricos de cada Toyota Prius requieren un kilogramo (2.2lb) de neodimio.
Actuadores

  • Generadores eléctricos para aerogeneradores (solo aquellos con excitación de imán permanente)

Las turbinas eólicas de accionamiento directo requieren aproximadamente 600 kg (1.300 lb) de material por megavatio
Las turbinas que usan engranajes requieren menos material por megavatio

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 imán de neodimio) y como parte del mecanismo de cierre del equipo de paracaídas deportivo moderno. También son el metal principal en los imanes de los populares juegos de mesa "Buckyballs" y "Buckycubes", aunque algunos minoristas estadounidenses han optado por no venderlos debido a preocupaciones de seguridad infantil, y han sido prohibidos en Canadá por la misma razón. Todavía están disponibles en Canadá para la compra, pero no como juguetes.

La fuerza de los imanes de neodimio también ha abierto nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres de resonancia magnética (MRI) utilizados para obtener imágenes del cuerpo humano como una alternativa a los imanes superconductores que utilizan alambres superconductores 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 la punta de los dedos para proporcionar una percepción sensorial de los campos magnéticos, aunque este es un procedimiento experimental que solo es popular entre los biohackers y los grinders.

Biomagnetismo

El biomagnetismo es una terapia complementaria que fue creada por el doctor mexicano Isaac Goiz. Este tratamiento esta indicado para tratar diferentes patologías, que van desde aliviar los síntomas de un resfriado hasta liberar al paciente de tumores. Con los imanes se busca tratar todo tipo de dolencias como estados depresivos, jaquecas reiterativas con las que muchas veces las personas no pueden llevar una vida normal. Según el doctor Goiz, es posible recuperar estados metabólicos saludables mediante el uso de campos biomagnéticos de intensidad media, producidos por imanes de 1.000 a 4.000 Gauss, aplicados en pares en partes específicas del cuerpo, llamados Pares Biomagnéticos. El biomagnetismo implica la colocación precisa y correcta (polaridad norte/sur) de imanes especiales de alta intensidad de campo sobre áreas muy específicas del cuerpo, para apoyar la regulación del pH en estas áreas. Al mantener un pH adecuado, la homeostasis puede restablecerse para que el cuerpo pueda curarse a sí mismo.

Imanes de Neodimio: Biomagnetismo

Polos de un imán

Un imán tiene 2 polos: El polo Norte del Imán (Positivo, en Biomagnetismo) es el extremo que apunta hacia el polo sur magnético de la Tierra (cerca del polo Norte Geográfico), cuando el imán gira libremente, tal como sucede con la aguja de una brújula. El polo Sur del Imán (Negativo, en Biomagnetismo) es el extremo opuesto. Este comportamiento de los imanes se debe a que los polos opuestos se atraen, lo que ocasiona la orientación mencionada.

Imanes de Neodimio: Polos

En la actualidad disponemos de la tecnología moderna para identificar los polos de un imán fácilmente, para lo cual se puede emplear la App Pole Detector  instalada en un smartphone. El uso de esta aplicación es muy intuitivo y genera resultados inmediatos, informando con N ó S cual es el polo que está apuntando hacia el smartphone (no acercar demasiado el imán para que la App pueda operar correctamente). Una vez hayamos identificado el polo Norte (ó Sur), se puede emplear este imán para identificar los polos de otros imanes, tomando en cuenta que los polos iguales se repelen y los polos diferentes se atraen.  

Flujo Magnético Residual Br y Campo Magnético Externo B 

Para determinar de forma práctica el valor de Br se emplea un sensor de efecto Hall A3503, que tiene una salida lineal entre -1500 y +1500 Gauss (los valores negativos corresponden al polo Norte y los positivos al polo Sur: Convención Algebraica). Debido a que los imanes de Neodimio tienen campos magneticos muy intensos que saturan el sensor Hall a distancias muy cortas, se debe medir el Campo Magnético Externo B a una distancia tal que permita el trabajo en la región lineal del sensor (cualquier valor inferior a 1500 Gauss); con el valor medido se calcula el valor de Br a partir de la fórmula aplicable a los imanes de neodimio que tienen forma de disco o cilindro. Este método experimental es aplicado exitosamente por nuestro personal técnico en el laboratorio de ensayos (los valores obtenidos se indican más abajo en las Especificaciones de los imanes disponibles).

La fórmula mencionada se emplea luego para calcular el valor de B en función de la distancia al imán. El máximo valor es Bs (campo magnético en la superficie del imán) y va disminuyendo a medida que se incrementa la distancia.

Se concluye que Br es una propiedad del material de fabricación de los imanes, independientemente de su forma o tamaño, mientras que B depende de varios factores, entre ellos el valor de Br, la forma, el tamaño y la distancia.