Ricardo AltimiraImanes Sinterizados S.A.

INTRODUCCION

a teoría del magnetismodescansa en la existenciade los momentos magnéti-

,' ® cos de los átomos, los cua-les son debidos a dos causas: elmovimiento del electrón en su órbi-ta (momento magnético orbital), yla rotación del electrón sobre símismo (spin): el momento magné-tico del átomo es la resultante deambos componentes.El conocimiento cada vez más pro-fundo de la estructura del átomo yde las interacciones entre los diver-sos elementos de la materia, estápermitiendo obtener materialescon características más definidas ypropiedades más elevadas. Unosde los materiales que en los últimosaños han experimentado una evo-lución más rápida han sido los ima-nes permanentes.

Imanes permanentes.Propiedades o características

Un imán permanente es un mate-

Fig. í

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rial capaz de desarrollar un campomagnético exterior a su masa.Cuando un material ferromagnéti-co está sometido a un campo mag-netizante Hm creciente , adquiereuna imantación interna que alcanzaun valor máximo llamado induc-ción de saturación, B. Si el campomagnetizante, Hm se disminuye delvalor de saturación hasta ser nulo,la inducción en el material no desa-parece, sino que tiene un valor Brinferior al de saturación llamado in-ducción remanente o remanencia:es necesario aplicar un campomagnetizante opuesto al inicial pa-ra que esa inducción remanentedisminuya de valor. El campo conel cual la inducción se anula, se lla-ma campo coercitivo, Hc. Conti-nuando con el campo magnetizan-te negativo se llega a una satura-ción negativa -B5, y, cambiando denuevo el sentido del campo mag-netizaste, se obtiene el clásico ciclode histéresis.Un imán permanente, aislado del

Fig. 2

campo magnetizante que le ha lle-vado a la saturación , tiene comozona de trabajo el segundo cua-drante del ciclo de histéresis: esdecir, mantiene una inducción po-sitiva, pero, para crear un campoexterno, ha de sufrir una desiman-tación interna, que, lógicamente,por sus propios medios no puedellegar al valor del campo coercitivoHc para el que Bc=0.Los valores que definen la curva delciclo de histéresis en el segundocuadrante son los que determinanlas propiedades de un imán perma-nente:-Por un lado, la inducción rema-nente Br conviene sea elevada: elimán tiene mayor magnetismo.-El segundo factor importante esun campo coercitivo Hc alto para noperder fácilmente la imantación.-En tercer lugar, la forma del ciclode histéresis en el segundo cua-drante es importante: la energíaque el imán almacena (y que es laque en parte cede) es función del

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6

;o de trabajo: conviene que, por, el imán trabaje en el punto

lergía máxima, lo que se cono-producto BxH en MGOe

!GaussOersted),rma ideal del ciclo de histére-

la rectangular y el punto deideal es aquél en el que laentrehierro coincide con la

tal del rectángulo.

Ión

ue no es el objeto de este artí-se enumeran brevemente las

aciones de los imanes perma-, que se basan en su propie-

e crear un campo magnéticonecesidad de aportación deaía externa (como es el caso

electroimanes ); este campopuede utilizar para:

i!,insformar la energía mecánicaG=iñ:ctrica: es el caso de losi!<?ños generadores, produc-

corrientes inducidas, teléfo-icrófonos, etc.armar la energía eléctrica-ica, como en aparatos demotores, altavoces, etc.el campo magnético para

i o repulsión de materialesHéticos u otros imanes:n de productos, transpor-

ción de haces, acelera-ndolas de su trayectoria

r.,ticos, fijación de piezas,

les sobre partículas eléctri-

'aculas, levitación mag-ransportes rápidos, etc.

h )ricar mediante fundi-1zación, inyección y ex-

s que son sensibles,

aquéllos que no pre-íi5n a altas temperatu-.ras normales, o sea,

i de fundición se pue-

atmósferas con-

En este proceso el'rmas es menor y:guir formas com-^lerrancia bastante

:eso es más lento

izan por el proceso

3n. La extrusión seTinas magnéticas,n polvo de Ferrita,

había utilizadode Alnico.

ra el imán

plástico de geometría complicada,aunque también para geometríasnormales. Se pueden realizar tam-bién por el proceso de prensado,obteniéndose mejores resultadosen densidad y, por consiguiente,mayores características magnéti-cas por unidad de volumen, aun-que la inyección es más rápida queel prensado.

Materiales

Los progresos en la técnica de losimanes permanentes durante losúltimos años representan el avancemás importante dentro del campode la metalurgia. Hasta hace 50años, los únicos materiales conoci-dos para imanes eran los aceros deherramientas, aceros al carbono odébilmente aleados al W, Cr, o Co.Un paso importante fueron las alea-ciones conocidas como Alnico yTiconal, tanto isotrópicas como an-isotrópicas, aleaciones múltiplescon un 50% aprox. de Fe y el restoAl, Mi, Co, Cu. Son materiales conuna fuerte inducción remanente Brdel orden de 13.000 Gauss y uncampo coercitivo Hc hasta 700Oersted: energía max, B.H--6MGOe

Los avances en la metalurgia depolvos llevaron a los imanes sinteri-zados también conocidos como Pe-rritas o imanes cerámicos por opo-sición a las aleaciones anteriormen-te citadas conocidas como imanesmetálicos.Las ferritas son imanes obtenidospor sinterízación de óxido de hierrocon otros metales, principalmentebario y estroncio (el precusor de lasactuales ferritas puede ser conside-rado el mineral natural de magneti-ta Fea 04). Su inducción remanenteBr es relativamente baja (no pasade 4000 Gauss) pero un campocoercitivo Hc superior a 3000 Oer-sted, siendo su energía máximaBH = 3,5 MGOe.Con relación a los imanes metáli-cos, las ferritas son de característi-cas muy diferentes por lo que eldiseño de circuitos con dichostipos de imanes difiere mucho: fun-damentalmente, los imanes deferritas son de fuerte sección paracompensar su baja inducción,mientras que los metálicos son demayor longitud que contrarresta sumenor coercitividad.En el diseño de los circuitos deimanes permanentes hay que con-siderar, además, la posibilidad de

Fig. 3

Acoplamiento de Recoma 20. El imán anular de la izquierda proporciona una indicación inductivade velocidad.

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4 5 6 7 8 9 10 cm

Fig. 4

Transmisiones magnéticas.

emplear piezas polares en acerodulce (ocasionalmente aleacionesde alta permeabilidad), ya que:* Es posible tener una densidad deflujo en el entrehierro mucho ma-yor que en la aleación magnética.* Las expansiones polares reducenla dispersión del flujo en el entrehie-rro.* Las expansiones polares se me-canizan con mayor facilidad que losimanes.* Con las expansiones polares sepueden reducir las pérdidas de flujodel sistema.* El diseño magnético puede redu-cirse, resultando más sencillo y ba-rato.* Las expansiones polares se pue-den utilizar como soporte mecáni-co del imán.* Además, facilitan ocasionalmen-te las construcciones multipolares.

Últimos avances en la técnicade los imanes

Aunque la mayor parte de losesfuerzos de la ciencia y la técnicase han dirigido a la obtención demateriales con energía cada vezmayor, se han desarrollado tam-bién investigaciones paralelas paracrear aleaciones especiales conpropiedades particulares. Así, elresultado es una variedad muyamplia de materiales para imanespermanentes; sin embargo, nopuede pensarse que estas aleacio-nes modernas hayan reemplazadototalmente a sus predecesoras,

sino que cada tipo de materialmantiene su propio campo de apli-cación.Los llamados imanes de alta tecno-logía son los que poseen una ma-yor energía magnética, por lo quesus características por unidad devolumen son mejores. En los últi-mos años, los investigadores sehan dirigido hacia la búsqueda demateriales con una fuerte aniso-

tropía magnética, puesto que, teóri-camente, es preciso aportar muchaenergía para conseguir desviar elmomento magnético desde las di-recciones en que se dispone es-pontáneamente, hacia otras en lasque, en condiciones normales, po-see una imantación muy débil y encambio, cuando los momentosmagnéticos están alineados, laenergía es muy alta.Combinando estos elementos conel proceso de fabricación a partirdel material pulverizado, se hanobtenido resultados muy satisfacto-rios, Concretamente, a partir delcompuesto de SmCo5 con el quese pueden fabricar por procedi-mientos normales imanes perma-nentes cuyo campo coercitivo esde 10 kOe, mientras que en losmétodos de fabricación especialesse alcanzan 30 kOe. Las propieda-des magnéticas de los materialesdel tipo Co- tierras raras no puedenexplicarse por las teorías generalesdel ferromagnetismo.Los imanes de alta tecnología sefabrican mediante aleaciones deCo-tierras raras. Los primeros fue-ron los MM-Co, formados de Ce,La, Nd, Pr, Sm y Co, para pasar,posteriormente, a aleaciones másprecisas, que se han de realizar aaltas temperaturas y en hornos de

Fig. 5

Rotor terminado de una máquina de imán permanente de alta velocidad.

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vacío. Podemos realizarlas a partirde los óxidos de los elementos obien mediante fusión íntima de loslementos constituyentes.

1--.stos nuevos elementos poseenuna remanencia Br bastante altaentre 8.000 y 11.000 G.) y, sobre

todo, una elevada coercitividad Hc.`:e fabrican 4 tipos: MMCo,Srn2Cos, Sm2Co17, SmPrCos, te-niendo todos el BH máximo entre16 y 26,Los más comercializados son elV'V\Cos y el SmCos, ambos obteni-', )s por sinterización aunque tam-

n pueden obtenerse por inyec-n y extrusión . Se fabrican nor-

nalmente con características an-'s5tropas.I)espués de la sinterización, sonnecanizados e imantados. Lamantación (aún siendo anisótro-^,)s) es complicada por los altosim npos que necesitan para satu-

razón por la que no puedenliiarse las máquinas tradicionales

,,, Alnico y Ferrita.i el caso concreto de aplicación aMores pueden ser imantados

vez colocados en el rotor, para{ue se necesita una bobina quenita imantar a los polos requeri-y que debe estar configuradaláminas férricas que dirijan elNo es utilizable un hierro dul-

normal porque se saturaría aU G y no permitiría saturar eln, es decir, llegar a Bs para, lue-tener la remanencia Br requeri-l'ur ello, estas almas férricasi realizarse en una aleacióntal de Fe-Co.

imán dependen de la homo-,, ad de éste, así como del gra-de su proceso de fabricación.

i o ato a elevadas temperatu-

leras inertes por la gran facili-rle oxidación del material enlometría de 3-4 pm.,mente ya se fabrican en serie'rCosy el Sm2Co17. El prime-

pos necesarios para satu-

entre 20.000 y 45.000 G yeso de fabricación es com-ya que debe realizarse en

una inducción elevada«. el segundo, además, ofre-bién una elevada coercitivi-sobre todo, un mejor com-

ter un mayor punto de Cu-

pal problema de este tipos el precio de la materia

iementos muy escasos en(le muy difícil tratamiento.

Actualmente se están sustituyendodichos elementos por otros másabundantes, reduciendo su coste,pero el principal problema es sucomportamiento a altas temperatu-ras de trabajo: sufre variacionesapreciables en su coercitividad,aunque con referencia a la induc-ción, dichas variaciones no seantan apreciables. Esto se debe a queposee un punto de Curte muy bajo,aproximadamente 312°C.La introducción de elementos ter-narios, como el Co, ha mejoradoalgo su comportamiento ante latemperatura. El elemento que me-jor influencia ha conllevado su in-corporación ha sido, por supuesto,el Co, cuyo principal problema essu precio. Es un elemento muyabundante en determinados paísesafricanos donde, debido a la ines-tabilidad política y económica, estásometido a numerosos altibajos ensu cotización.

Fig. 6

Motor de paso a paso.

Aumentando la proporción de Co,se incrementará sucesivamente elpunto de Curte.Los materiales a los que nos esta-mos refiriendo son los provenientesde aleaciones de NdFeB y tienenuna inducción y una fuerza coerciti-va elevadísimas, que pueden llegara BHmax =40 MGOe.La producción de imanes a partirde dicho material se realiza de dosmaneras:-partiendo de los óxidos corres-pondientes y, mediante reacción aelevadas temperaturas y alto vacío,se obtiene el producto final encomposición cristalina y una granu-

lometría aproximada de 25 ttm.Esto explica que se deba trabajaren atmósferas muy controladaspara evitar la formación de óxidos(no son magnéticos).

Dicho polvo es molturado, prensa-do y sinterizado en atmósfera inertey, según sea la estequiometría delcompuesto, se alcanzarán BHmaxdesde 27 hasta 40 MGOe. Introdu-ciendo elementos temarios se pue-de variar el punto de Cure (Co) yaumentar la coercitividad (Dy).-Partiendo de material provenien-te de cinta amorfa y, posteriormen-te, troceada.La granulometría final es aproxima-damente 300 pm. lo que permitetrabajar sin demasiados problemasde inestabilidad de los elementosconstituyentes.A partir de este polvo, puedenconstruirse imanes de calidad cre-ciente de características magnéti-cas, realizando un total de 4 tiposdistintos.* Empezando por el de menosenergía, pueden realizarse por dosvías diferentes: inyección o prensa-do. Es una calidad plástica y nopuede utilizarse por encima de los80° C. Ahora bien, si el imán estábien protegido, puede llegar a tra-bajar a 135° C, introduciendo en elmaterial un porcentaje de Co quemejore su comportamiento a di-chas temperaturas.* El siguiente sería un material decaracterísticas isótropas como elanterior y prensado a altas tempe-raturas para obtener una pieza100% más densa.* Para obtener la tercera calidad,se parte de la pieza anterior y,mediante una orientación debida auna deformación mecánica obteni-da a altas presiones, se conseguiráun imán anisótropo de BHmáx. _35.* Por último, podemos realizar unimán plástico anisótropo cuyas ca-racterísticas dependerán de la ca-pacidad de orientación de la bobinaempleada para orientar el polvodurante el prensado.Todos estos imanes requieren unrecubrimiento plástico o metálicoanti-oxidación pues son sensibles aloxígeno y a la humedad. Este recu-brimiento debe ser plástico para losimanes plásticos y puede ser tam-bién metálico para los imanes100% densos siempre y cuando es-te recubrimiento sea permeable a

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las líneas de fuerza. Deben tener elmenor espesor posible, pues crea-rían un entrehierro que disminuiríala efectividad.En relación con los antiguos, estosimanes ofrecen mayor estabilidadmagnética, elevada resistencia a ladesimantación y una buena induc-ción.

Presente- y futuro

Durante los 10 últimos años se handado una serie de factores que haninfluido en la fabricación y el uso delos imanes permanentes. La másimportante fue la crisis del Co, conel incremento de la producción deferritas y el descubrimiento delNdFeB. La crisis estalló con unarebelión en el Zaire, entre 1979-1981, que motivó una rápida bús-queda de nuevos diseños pues elAinico contiene una gran cantidadde Co.Los nuevos diseños se realizaronen ferritas y en CoSm, aunque eneste último no tanto, por el porcen-taje de Co que llevaba. La Ferrita esel material magnético actual másutilizado.

Vocabulario

Anisotropía : Característica segúnla cual las propiedades físicasespecíficas son diferentes en lasdistintas zonas del material.Bario: Elemento químico utiliza-do como aditivo para la produc-ción de ferritas.BHmax: Producto de máximaenergía. Indica la energía máximaque un imán puede suministrarcuando opera en un punto de tra-bajo determinado.Campo coercitivo : Hc, es el cam-po de desimantación necesariopara llegar a una inducción mag-nética nula.Ciclo de histéresis : Ciclo cerradoobtenido para un materialmediante la impresión de losvalores correspondientes de lainducción B, para cada valor delCampo H, (de -H a +H).Cobalto : Elemento químico utili-zado como aditivo para la pro-ducción de imanes de tierrasraras.Cobre: Idem.Coeficiente de temperatura:Valor que describe el cambio de

las tres formas geométricas quemás se utilizan son: aros para alta-voces, _ para motores y genera-dores y :ques. Estos son utiliza-dos, a su vez, para separadores, sis-temas de enganche y para obtener,mediante corte, otras piezas paradiversas aplicaciones.

La aleación NdFeB, como materialmagnético permanente, fue anun-ciada en junio de 1983 por Sumito-mo Special Metais y el proceso fuedescrito en la Conferencia sobreMagnetismo y materiales magnéti-cos celebrada en noviembre de1983 en Pittsburg. En el mismoCongreso, General Motors descri-bió el proceso de rápido enfria-miento utilizando un material deuna aleación del mismo tipo.

La utilización de los imanes SmCosva creciendo y la del nuevo com-puesto Sm2Co17 (denominado ge-néricamente así) aún ha crecidomucho más, pues parte del Co essustituído por Cu, Zr, Fe con muybuenos resultados. De todas for-mas, se esperan rápidos cambiosen los sistemas para poder aplicarimanes de NdFeB,

las propiedades magnéticas enrelación a la variación de tempe-ratura. Normalmente se expresaen % de cambio por unidad detemperatura.Curva de desimantación: Es elsegundo (o cuarto) cuadrante deun ciclo completo de histéresis.Indica el comportamiento de lainducción referente al campomagnético y define las principa-les propiedades magnéticas delimán.Densidad : Peso específico delmaterial (g/cm').Desimantación : Reducción delas propiedades magnéticas deun imán permanente. Ocurrecuando es expuesto a:-Altos campos de corriente.-Campos inversos producidospor electroimanes o imanes per-manentes.-Elevada temperatura.Dirección de orientación: finimán tiene las característicasmagnéticas óptimas en la direc-ción de orientación. Esta se le daen el momento del prensado, enel proceso de fabricación.Disprosio: Elemento químico uti-lizado como aditivo para la pro-

En Europa el descubrimientoNdFeB ha provocado que loes o,nismos de la C.E.E. elaboren uprograma de investigación re'nado con estos materiales. Enprograma, denominado CEAM;, iitervienen la industria y las univei -dades europeas y en principio stprogramó para una duración de raños, pero se ha prorrogado 6 meses más.Principalmente se trabaja en laqueda de imanes de NdFeB dyor estabilidad térmica y mewcilidad de corrosión.El imán de laboratorio de mayorenergía obtenido es el Dy3Ai2 conun BHrnáx = 715 MOe a la tempera-tura del helio líquido.Aunque se han obtenido mejorascon elementos de tierras raras máspesados, su elevado precio haceimposible la comercialización.Los compuestos de alta supercon-ductividad remanente a temperaCuras superiores a las del nitrógenolíquido pueden resultar una herra-mienta muy útil, pues facilitarían lacreación de altos campos Tní agnt---cos, Estos elementos pueden Ile__a desplazar a los electroimanes E

ducción de imanes de tierrasraras.Entrehierro: Volumen entre dospolos magnéticos.Estroncio : Elemento químico uti-lizado como aditivo en la produc-ción de Ferrita.Factor de pérdida : Relación entreel flujo total de un imán y el valormedio del flujo presente en elentrehierro.Flujo: Concepto que intenta defi-nir el paso del campo magnético.Matemáticamente se define co-mo la integral de superficie delcomponente normal de la induc-ción magnética a través de unasección.Flujo no útil : Flujo cuyo caminoes diferente al del circuito magné-tico.Fluxórnetro : Galvanómetro quemide la variación de flujo me-diante una bobina. Los instru-mentos modernos utilizan un cir-cuito integrado.Gausómetro : Instrumento utiliza-do para la medición instantáneade la inducción magnética. Elprincipio más común para dichamedición es el efecto Hall. Otrosson el principio de la bobina rota-

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:determinadas aplicaciones (MRI/canners). Los imanes permanen-

tienen la ventaja de no requerirnentación de corriente eléctrica

ora mantener sus característicasmagnéticas.

Resumen

'odemos resumir las diferencias-ntre estas dos nuevas materias dea siguiente forma:-CoSm es un compuesto inter-netálico de cobalto y el elemento

tierras raras , samario.NdFeB es un compuesto inter-fálico de hierro y neodimio.

-NdFeB tendrá un brillante futuro—r sus altas características magné-

ticas, que permitirán avanzar en larrriniaturización.-SmCo: Comerciable desdeil i8, se fabrica en todo el mundopartir de la metalurgia del polvo.

'•lnchas subfamilias.1 iterizado y plástico,ontinúan desarrollándose nuevas,tn stigaciones.W, isidad de energía (15-30

;te) y coercitividad (5-40 KOe)

tiva o la resonancia magnética(NMR).Gauss: Unidad antigua de induc-ción magnética B, sistema CGS:,equivale a 10-4 T (Testa).Hierro: Metal utilizado como aditi-vo para la producción de imanesde tierras raras.Imán permanente: Cuerpo capazde mantener un campo magnéti-co después de haber sido iman-tado, sin pérdida del mismo.Imantación : Aplicación de uncampo externo a un imán parat nagnetizarlo. Para ferrítas, el,,for de la intensidad del campoI, !->e ser tres veces el valor de su,. ,rza coercitiva. Para imantar

den emplearse c.c. o camposimpulsos. El tiempo del ímpul->uede ser inferior al ms. si nohierro en el circuito de iman-In.

Flujo por unidad deicie perpendicular a la di-

ión del camino magnético, oal número de líneas de fuer-ie atraviesan una superficie

!cción remanente: Br, es lación magnética correspon-a una fuerza de desimanta-

Buen comportamiento a tempera-turas altas y bajas.Utiliza un material estratégico(Co).Materia prima cara y de dificil pro-ducción.-NdFeB: Aparición en 1982-83.Materias primas baratas y no estra-tégicas , que pueden representar unabaratamiento en los imanes.Está empezando a ser comerciali-zado.Densidades de energía (26-40MGOe) y coercitividad (14-20 KOe)altas.Fabricado por la metalurgia del pol-vo o por enfriamiento ultra-rápido.Sínterizado y plástico.Mal comportamiento a altas tempe-raturas y bueno a bajas.Difícil producción.Ambos son de naturaleza metálicay conductores y su técnica de pro-ducción es muy sofisticada, perodan una elevada energía por uni-dad de masa que permite nuevosavances en diseños y desarrollosmás compactos. Su elevada fuerzacoercitiva evita pensar en sistemasespeciales para impedir su desi-mantación.

ción nula en un material magnéti-co después de ser saturado enun circuito magnético.Irreversible: Pueden producirsepérdidas irreversibles de las pro-piedades magnéticas cuando losimanes están expuestos a eleva-das temperaturas o a camposcontrarios.Isotrópico: Es un material deestructura no orientada con lasmismas propiedades físicas ymagnéticas en todas las direccio-nes.Imán cerámico : Imán de Ferrita,fabricado a partir de óxidos dehierro y, como aditivos, los debario y estroncio.Neodimio : Elemento básico deun tipo de imán.Oersted: Antigua unidad deintensidad del campo magnéticoH, en el sistema CGS.Permeabilidad: Término general-mente utilizado para expresar larelación entre la inducción B y laintensidad del campo magnético,H.Praseodimio, Elemento químicoutilizado como aditivo para la pro-ducción de imanes de tierrasraras.

Producción mundialde imanes de tierras rarasJapón 43%USA 29%Europa 19%Otros 9%

Utilización:Desarrollos acústicos: 20%Motores y generadores: 35%Aplicaciones mecánicas y otras:

20%Telecomunicación, medicacióny control: 25%

Reservas mundiales estimadas (t)de minerales conteniendo neodi-mio-China ................................ 37.000.000N. América ...................... 4.700.000Australia .......................... 350.000Asia, Europa,Sud-América y otros... 1.950.000

Total...... .......... — ......... ..... 44.000.000

Las tierras raras (y principalmenteel neodimio) se obtienen de lamonazita y la bastnaezita. 19

Punto de trabajo : Localizaciónen una curva de desimantaciónde la intersección de los valoresHd y Bd que son los valores delimán en el circuito donde seencuentra.Reluctancia: Cociente de la divi-sión de la fuerza magneto-motrizde un circuito magnético por elflujo de inducción producido.Esta definición presenta una evi-dente analogía con la resistenciaóhmica de un conductor.Samario: Elemento químico bá-sico de un tipo de imán.Temperatura de Curie: Tempera-tura de transición a partir de lacual el material pierde totalmentesu magnetismo . Depende de lacomposición química del imán.Temperatura máxima de traba-jo: Es aquélla a partir de la cual elimán pierde características mag-néticas.Testa: Unidad de medida de lainducción magnética (T).Weber Unidad para medir el flujomagnético (Wb).Zirconio: Elemento químico utili-zado como aditivo para la pro-ducción de imanes de tierrasraras.

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