Ímã de neodímio - Neodymium magnet

Ímã de neodímio banhado a níquel em um suporte de uma unidade de disco rígido
Cubos magnéticos de neodímio banhados a níquel
Esquerda: imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução de Nd 2 Fe 14 B; direita: estrutura cristalina com célula unitária marcada

Um ímã de neodímio (também conhecido como NdFeB , NIB ou ímã Neo ) é o tipo de ímã de terras raras mais amplamente usado . É um ímã permanente feito de uma liga de neodímio , ferro e boro para formar a estrutura cristalina tetragonal Nd 2 Fe 14 B. Desenvolvido independentemente em 1984 pela General Motors e Sumitomo Special Metals , os ímãs de neodímio são o tipo mais forte de ímã permanente disponível comercialmente. Devido aos diferentes processos de fabricação, eles são divididos em duas subcategorias, a saber, ímãs NdFeB sinterizados e ímãs NdFeB ligados. Eles substituíram outros tipos de ímãs em muitas aplicações em produtos modernos que requerem fortes ímãs permanentes, como motores elétricos em ferramentas sem fio, unidades de disco rígido e fechos magnéticos.

História

A General Motors (GM) e a Sumitomo Special Metals descobriram independentemente o composto Nd 2 Fe 14 B quase simultaneamente em 1984. A pesquisa foi inicialmente conduzida pelo alto custo das matérias-primas dos ímãs permanentes SmCo , que haviam sido desenvolvidos anteriormente. A GM se concentrou no desenvolvimento de ímãs Nd 2 Fe 14 B nanocristalinos fiados por fusão , enquanto a Sumitomo desenvolveu ímãs Nd 2 Fe 14 B sinterizados de densidade total . A GM comercializou suas invenções de pó Neo isotrópico , ímãs neo ligados e os processos de produção relacionados ao fundar a Magnequench em 1986 (Magnequench desde então tornou-se parte da Neo Materials Technology, Inc., que mais tarde se fundiu na Molycorp ). A empresa forneceu pó de Nd 2 Fe 14 B fundido a fabricantes de ímãs aglutinados. A instalação da Sumitomo tornou-se parte da Hitachi Corporation e fabricou, mas também licenciou outras empresas para produzir ímãs sinterizados de Nd 2 Fe 14 B. A Hitachi possui mais de 600 patentes cobrindo ímãs de neodímio.

Os fabricantes chineses se tornaram uma força dominante na produção de ímãs de neodímio, com base no controle de grande parte das minas de terras raras do mundo.

O Departamento de Energia dos Estados Unidos identificou a necessidade de encontrar substitutos para metais de terras raras na tecnologia de ímãs permanentes e financiou essa pesquisa. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia patrocinou um programa de Alternativas de Terras Raras em Tecnologias Críticas (REACT), para desenvolver materiais alternativos. Em 2011, o ARPA-E concedeu 31,6 milhões de dólares para financiar projetos de substitutos de terras raras. Por causa de seu papel em ímãs permanentes usados ​​em turbinas eólicas , argumentou-se que o neodímio será um dos principais objetos de competição geopolítica em um mundo movido a energia renovável . Mas essa perspectiva tem sido criticada por não reconhecer que a maioria das turbinas eólicas não usa ímãs permanentes e por subestimar o poder dos incentivos econômicos para a expansão da produção.

Composição

O neodímio é um metal que ordena magneticamente apenas abaixo de 19 K (−254,2 ° C; −425,5 ° F), onde desenvolve ordens antiferromagnéticas complexas . No entanto, compostos de neodímio com metais de transição , como o ferro, podem solicitar ferromagneticamente com temperaturas de Curie bem acima da temperatura ambiente e são usados ​​para fazer ímãs de neodímio.

A força dos ímãs de neodímio é o resultado de vários fatores. O mais importante é que a estrutura de cristal tetragonal Nd 2 Fe 14 B tem anisotropia magnetocristalina uniaxial excepcionalmente alta ( H A ≈ 7 T - intensidade do campo magnético H em unidades de A / m versus momento magnético em A · m 2 ). Isso significa que um cristal do material magnetiza preferencialmente ao longo de um eixo específico do cristal, mas é muito difícil de magnetizar em outras direções. Como outros ímãs, a liga de ímã de neodímio é composta de grãos microcristalinos que são alinhados em um poderoso campo magnético durante a fabricação, de modo que todos os seus eixos magnéticos apontam na mesma direção. A resistência da rede de cristal para girar sua direção de magnetização dá ao composto uma coercividade muito alta , ou resistência a ser desmagnetizado.  

O átomo de neodímio pode ter um grande momento de dipolo magnético porque tem 4 elétrons desemparelhados em sua estrutura de elétrons, em oposição a (em média) 3 no ferro. Em um ímã, são os elétrons desemparelhados, alinhados de forma que seu spin esteja na mesma direção, que geram o campo magnético. Isso dá ao composto Nd 2 Fe 14 B uma magnetização de alta saturação ( J s ≈ 1,6 T ou 16 kG ) e uma magnetização remanescente de tipicamente 1,3 teslas. Portanto, como a densidade de energia máxima é proporcional a J s 2 , essa fase magnética tem potencial para armazenar grandes quantidades de energia magnética ( BH máx  ≈ 512 kJ / m 3 ou 64 MG · Oe ). Este valor de energia magnética é cerca de 18 vezes maior do que os ímãs de ferrite "comuns" em volume e 12 vezes em massa. Esta propriedade de energia magnética é maior nas ligas NdFeB do que nos ímãs de samário-cobalto (SmCo), que foram o primeiro tipo de ímã de terras raras a ser comercializado. Na prática, as propriedades magnéticas dos ímãs de neodímio dependem da composição da liga, da microestrutura e da técnica de fabricação empregada.     

A estrutura de cristal do Nd 2 Fe 14 B pode ser descrita como camadas alternadas de átomos de ferro e um composto de neodímio-boro. Os átomos de boro diamagnéticos não contribuem diretamente para o magnetismo, mas melhoram a coesão por meio de ligações covalentes fortes. O teor relativamente baixo de terras raras (12% em volume, 26,7% em massa) e a abundância relativa de neodímio e ferro em comparação com samário e cobalto tornam os ímãs de neodímio mais baratos do que os ímãs de samário-cobalto .

Propriedades

Ímãs de neodímio (pequenos cilindros) levantando esferas de aço. Esses ímãs podem facilmente levantar milhares de vezes seu próprio peso.
O ferrofluido em uma placa de vidro exibe o forte campo magnético do ímã de neodímio por baixo.

Notas

Os ímãs de neodímio são classificados de acordo com seu produto de energia máxima , que se relaciona com a saída do fluxo magnético por unidade de volume. Valores mais altos indicam ímãs mais fortes. Para ímãs NdFeB sinterizados, existe uma classificação internacional amplamente reconhecida. Seus valores variam de 28 a 52. A primeira letra N antes dos valores é a abreviação de neodímio, que significa ímãs de NdFeB sinterizados. As letras após os valores indicam a coercividade intrínseca e as temperaturas máximas de operação (positivamente correlacionadas com a temperatura de Curie ), que variam de padrão (até 80 ° C ou 176 ° F) a AH (230 ° C ou 446 ° F).

Graus de ímãs NdFeB sinterizados:

  • N30 - N52
  • N30M - N50M
  • N30H - N50H
  • N30SH - N48SH
  • N30UH - N42UH
  • N28EH - N40EH
  • N28AH - N35AH

Propriedades magneticas

Algumas propriedades importantes usadas para comparar ímãs permanentes são:

Os ímãs de neodímio têm maior remanência, coercividade e produto energético muito maiores, mas geralmente têm temperatura de Curie mais baixa do que outros tipos de ímãs. Ligas magnéticas de neodímio especiais que incluem térbio e disprósio foram desenvolvidas com temperatura de Curie mais alta, permitindo que tolerem temperaturas mais altas. A tabela abaixo compara o desempenho magnético de ímãs de neodímio com outros tipos de ímãs permanentes.

Magnético B r
(T)
H ci
(kA / m)
BH max
(kJ / m 3 )
T C
(° C) (° F)
Nd 2 Fe 14 B, sinterizado 1,0-1,4 750-2000 200-440 310-400 590-752
Nd 2 Fe 14 B, ligado 0,6-0,7 600-1200 60-100 310-400 590-752
SmCo 5 , sinterizado 0,8-1,1 600-2000 120–200 720 1328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 , sinterizado 0,9-1,15 450–1300 150-240 800 1472
Alnico, sinterizado 0,6-1,4 275 10–88 700-860 1292-1580
Ferrita Sr, sinterizada 0,2–0,78 100–300 10–40 450 842

Propriedades físicas e mecânicas

Fotomicrografia de NdFeB. As regiões denteadas são os cristais de metal e as listras dentro são os domínios magnéticos .
Comparação de propriedades físicas de neodímio sinterizado e Sm-Co ímãs
Propriedade Neodímio Sm-Co
Remanência ( T ) 1–1,5 0,8-1,16
Coercividade (MA / m) 0,875-2,79 0,493-2,79
Permeabilidade de recuo 1.05 1,05-1,1
Coeficiente de temperatura de remanência (% / K) - (0,12–0,09) - (0,05–0,03)
Coeficiente de temperatura de coercividade (% / K) - (0,65–0,40) - (0,30–0,15)
Temperatura Curie (° C) 310-370 700-850
Densidade (g / cm 3 ) 7,3-7,7 8,2-8,5
Coeficiente de expansão térmica , paralelo à magnetização (1 / K) (3–4) × 10 −6 (5–9) × 10 −6
Coeficiente de expansão térmica , perpendicular à magnetização (1 / K) (1-3) × 10 -6 (10–13) × 10 −6
Resistência à flexão (N / mm 2 ) 200-400 150-180
Resistência à compressão (N / mm 2 ) 1000–1100 800-1000
Resistência à tração (N / mm 2 ) 80-90 35-40
Dureza Vickers (HV) 500-650 400-650
Resistividade elétrica (Ω · cm) (110-170) × 10 −6 (50–90) × 10 −6

Problemas de corrosão

Esses ímãs de neodímio sofreram corrosão severa após cinco meses de exposição ao clima.

Sinterizado Nd 2 Fe 14 B tende a ser vulnerável à corrosão , especialmente ao longo dos limites de grão de um ímã sinterizado. Este tipo de corrosão pode causar séria deterioração, incluindo a fragmentação de um ímã em um pó de pequenas partículas magnéticas ou fragmentação de uma camada superficial.

Essa vulnerabilidade é abordada em muitos produtos comerciais com a adição de uma camada protetora para evitar a exposição à atmosfera. O revestimento de níquel ou o revestimento de cobre-níquel de duas camadas são os métodos padrão, embora o revestimento com outros metais ou revestimentos de proteção de polímero e laca também estejam em uso.

Efeitos de temperatura

O neodímio tem um coeficiente negativo, o que significa que a coercividade junto com a densidade de energia magnética ( BH máx ) diminui com a temperatura. Os ímãs de neodímio-ferro-boro têm alta coercividade à temperatura ambiente, mas conforme a temperatura sobe acima de 100 ° C (212 ° F), a coercividade diminui drasticamente até a temperatura de Curie (em torno de 320 ° C ou 608 ° F). Esta queda na coercividade limita a eficiência do ímã sob condições de alta temperatura, como em turbinas eólicas, motores híbridos, etc. Disprósio (Dy) ou térbio (Tb) é adicionado para conter a queda no desempenho devido às mudanças de temperatura, tornando o ímã ainda mais caro.

Perigos

As forças maiores exercidas por ímãs de terras raras criam perigos que podem não ocorrer com outros tipos de ímã. Os ímãs de neodímio maiores do que alguns centímetros cúbicos são fortes o suficiente para causar ferimentos em partes do corpo presas entre dois ímãs, ou um ímã e uma superfície de metal ferroso, causando até mesmo ossos quebrados.

Os ímãs que ficam muito próximos uns dos outros podem atingir um ao outro com força suficiente para lascar e estilhaçar os ímãs quebradiços, e os fragmentos que voam podem causar vários ferimentos, especialmente ferimentos nos olhos . Já houve casos em que crianças pequenas que engoliram vários ímãs tiveram seções do trato digestivo presas entre dois ímãs, causando ferimentos ou morte. Além disso, isso pode ser um sério risco à saúde se trabalhar com máquinas que têm ímãs inseridos ou acoplados a eles. Os campos magnéticos mais fortes podem ser perigosos para dispositivos mecânicos e eletrônicos, pois podem apagar mídias magnéticas, como disquetes e cartões de crédito , e magnetizar relógios e as máscaras de sombra de monitores do tipo CRT a uma distância maior do que outros tipos de ímã. Em alguns casos, os ímãs lascados podem atuar como um risco de incêndio à medida que se unem, enviando faíscas como se fossem uma pederneira mais leve , porque alguns ímãs de neodímio contêm ferrocério .

Produção

Existem dois métodos principais de fabricação de ímã de neodímio:

  • Metalurgia do pó clássico ou processo de ímã sinterizado
    • Ímãs de Nd sinterizados são preparados pelas matérias-primas sendo derretidas em um forno, fundidas em um molde e resfriadas para formar lingotes. Os lingotes são pulverizados e moídos; o pó é então sinterizado em blocos densos. Os blocos são então tratados termicamente, cortados em forma, tratados na superfície e magnetizados.
  • Processo de solidificação rápida ou ímã ligado
    • Os ímãs Nd ligados são preparados por fusão girando uma fita fina da liga NdFeB. A fita contém grãos de nanoescala Nd 2 Fe 14 B orientados aleatoriamente . Essa fita é então pulverizada em partículas, misturada com um polímero e ou por compressão - ou moldada por injeção em ímãs ligados.

Em 2015, a Nitto Denko Corporation do Japão anunciou o desenvolvimento de um novo método de sinterização de material magnético de neodímio. O método explora uma "tecnologia híbrida orgânica / inorgânica" para formar uma mistura semelhante a argila que pode ser moldada em várias formas para sinterização. Mais importante ainda, é dito ser possível controlar uma orientação não uniforme do campo magnético no material sinterizado para concentrar localmente o campo para, por exemplo, melhorar o desempenho de motores elétricos. A produção em massa está planejada para 2017.

Em 2012, 50.000 toneladas de ímãs de neodímio são produzidos oficialmente a cada ano na China, e 80.000 toneladas em um acúmulo "empresa por empresa" feito em 2013. A China produz mais de 95% de elementos de terras raras e produz cerca de 76 % do total de ímãs de terras raras do mundo, bem como a maioria do neodímio do mundo.   

Formulários

Aplicações de ímã existentes

Ímãs de anel
A maioria das unidades de disco rígido incorporam ímãs fortes
Esta lanterna alimentada manualmente usa um ímã de neodímio para gerar eletricidade

Os ímãs de neodímio substituíram os ímãs de alnico e de ferrite em muitas das inúmeras aplicações da tecnologia moderna em que ímãs permanentes fortes são necessários, porque sua maior resistência permite o uso de ímãs menores e mais leves para uma determinada aplicação. Alguns exemplos são:

  • Geradores elétricos para turbinas eólicas (apenas aqueles com excitação de ímã permanente)
  • Bobina de voz
  • Desacopladores de caixa de mídia de varejo
  • Em indústrias de processo, poderosos ímãs de neodímio são usados ​​para capturar corpos estranhos e proteger produtos e processos

Novos aplicativos

Esferas magnéticas de neodímio montadas na forma de um cubo

A maior força dos ímãs de neodímio inspirou novas aplicações em áreas onde os ímãs não eram usados ​​antes, como fechos de joias magnéticas, conjuntos de construção magnéticos infantis (e outros brinquedos de ímã de neodímio ) e como parte do mecanismo de fechamento de modernos equipamentos esportivos de paraquedas. Eles são o principal metal nos anteriormente populares ímãs de brinquedos de mesa, "Buckyballs" e "Buckycubes", embora alguns varejistas dos EUA tenham optado por não vendê-los por questões de segurança infantil, e eles foram proibidos no Canadá pelo mesmo motivo .

A força e homogeneidade do campo magnético em ímãs de neodímio também abriu novas aplicações no campo médico com a introdução de scanners de ressonância magnética (MRI) usados ​​para imagens do corpo em departamentos de radiologia como uma alternativa aos ímãs supercondutores que usam uma bobina de supercondutor fio para produzir o campo magnético.

Os ímãs de neodímio são usados ​​como um sistema anti-refluxo colocado cirurgicamente, que é uma faixa de ímãs implantada cirurgicamente ao redor do esfíncter esofágico inferior para tratar a doença do refluxo gastroesofágico (DRGE). Eles também foram implantados nas pontas dos dedos para fornecer percepção sensorial de campos magnéticos, embora este seja um procedimento experimental popular apenas entre biohackers e moedores .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos