Alnico

2 Los materiales magnéticos permanentes

Los tipos de imanes más comunes utilizados en la actualidad son los imanes de ferrita dura, los imanes basados en tierras raras como SmCo o NdFeB, y los imanes de tipo alnico. De ellos, los imanes de alnico sólo tienen una coercitividad modesta, lo que da lugar a características de desmagnetización no lineales. Por esta razón, su aplicabilidad es muy limitada en comparación con los otros dos tipos. Las ferritas duras tienen coercitividades más altas que los imanes de álnico y sus características de desmagnetización son lineales. Sin embargo, la remanencia y el producto de energía máxima concomitante ya son bajos y disminuyen aún más con la unión. Debido a su bajo coste, los imanes de ferrita se siguen aplicando ampliamente, aunque la mayoría de los dispositivos magnéticos correspondientes son bastante voluminosos y a menudo no ofrecen un rendimiento óptimo. Los imanes permanentes de ferrita dominan actualmente la automoción y muchas otras aplicaciones debido a su bajo coste y a su probada estabilidad a largo plazo (véase Alnicos y Hexaferritas).Los imanes basados en tierras raras tienen altos valores de coercitividad, lo que les confiere características de desmagnetización lineal (véase Imanes de tierras raras: Materiales). Tienen remanencias elevadas y los valores típicos de los productos energéticos alcanzados en los imanes sinterizados son de 150 kJ m-3 para el SmCo5, y de 300 kJ m-3 para el Nd2Fe14B. Los primeros tipos de imanes se utilizan con frecuencia en aplicaciones de alta temperatura, posibilidad que se pierde en los imanes enlazados (véase Imanes: alta temperatura). Los imanes del tipo SmCo5 son caros debido al elevado precio del samario y del cobalto. La situación es más favorable para los imanes NdFeB porque el neodimio es más barato que el samario y el hierro es mucho más barato que el cobalto, siendo las artes de procesamiento pulvimetalúrgico comparables a las del SmCo5. De ahí que la relación rendimiento/precio del Nd2Fe14B sea mejor que la del SmCo5. Por esta razón, el mercado de los imanes de Nd2Fe14B sinterizados ha florecido y sigue creciendo (véase Imanes: Sinterizados).Aunque los imanes de enlace pueden fabricarse con todos los materiales mencionados anteriormente, sólo los imanes de ferrita de enlace y los imanes de Nd2Fe14B de enlace han penetrado en el mercado en una medida apreciable. Las ferritas pueden obtenerse fácilmente en forma de polvo (véase Alnicos y Hexaferritas). Un procesamiento algo especial de los polvos de ferrita da lugar a plaquetas hexagonales que pueden alinearse fácilmente de forma mecánica durante el proceso de formación de imanes de enlace flexible. La situación es más difícil en el caso del Nd2Fe14B, porque una simple ruta pulvimetalúrgica a partir de lingotes de Nd2Fe14B fundidos o recocidos no suele conducir a polvos de coercitividad suficientemente alta para su uso en imanes enlazados. Los polvos de NdFeB coercitivos pueden obtenerse, sin embargo, por hilado en fusión (véase Filamentos metálicos). En esta técnica, se pulveriza una fina corriente de aleación fundida sobre la superficie exterior de una rueda que gira rápidamente, lo que da lugar a finas cintas o copos rápidamente enfriados. Durante el hilado de la masa fundida, el material se protege de la oxidación realizando este proceso en una atmósfera protectora o en el vacío. La velocidad de enfriamiento es del orden de 105 K s-1 y puede variarse cambiando la velocidad de rotación de la rueda de hilar. Las diferentes velocidades de enfriamiento dan lugar a diferentes microestructuras que, a su vez, determinan las propiedades magnéticas del material hilado en fusión. Las condiciones óptimas de hilado en fusión conducen a una aleación nanocristalina formada por granos finos (normalmente 30 nm) del compuesto Nd2Fe14B, rodeados por una fina capa de una fase eutéctica rica en neodimio. En la práctica, se pueden obtener resultados más fiables y reproducibles si se utiliza una tasa de enfriamiento ligeramente superior y se recuece posteriormente el material hilado en fusión en condiciones cuidadosamente controladas. El material hilado en fusión es bastante frágil y se puede moler hasta obtener un polvo fino adecuado para la fabricación de imanes adheridos. Dado que los granos de Nd2Fe14B tienen una orientación aleatoria, estos imanes ligados son isótropos. Las partículas de polvo de forma esférica fluyen mejor en el proceso de moldeo por inyección, lo que permite un mayor factor de carga. Este polvo puede prepararse mediante un proceso de atomización con gas inerte, con valores típicos para el diámetro medio de las partículas de 45 mm. Una ventaja adicional del proceso de atomización es la alta tasa de producción y los bajos costes de procesamiento de los polvos (Ma et al. 2002).Una ruta diferente que conduce a los polvos de NdFeB coercitivos consiste en el llamado proceso HDDR (véase Imanes: Procesado HDDR). Este proceso implica esencialmente cuatro pasos: hidrogenación del Nd2Fe14B a bajas temperaturas, descomposición del Nd2Fe14BHx en NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorción del gas H2 del NdH2.7 y recombinación del Nd + Fe + Fe2B en Nd2Fe14B. Este proceso se beneficia del hecho de que la formación de granos de Nd2Fe14B en el último paso es una reacción en estado sólido y, por tanto, procede a una velocidad considerablemente menor que durante la solidificación a partir de la masa fundida durante un proceso de fundición normal. El tamaño medio de los granos de Nd2Fe14B se mantiene en el rango nanométrico y da lugar a coercitividades suficientemente grandes.Otra ventaja es el hecho de que el proceso HDDR puede utilizarse con éxito para obtener partículas anisotrópicas. Takeshita y Nakayama (1992) descubrieron que los aditivos de circonio, hafnio y galio, en particular, son muy eficaces para producir polvo HDDR anisotrópico. La cantidad de aditivo necesaria es sorprendentemente pequeña (por ejemplo, Nd12,5Fe69,9Co11,5B6Zr0,1). Las investigaciones microscópicas descritas por Harris (1992) revelaron que se habían formado grandes granos facetados de HDDR dentro del grano original de la aleación. Estos granos facetados tienen una orientación común, que es probablemente la misma que la del grano original. La naturaleza anisotrópica de los polvos HDDR de aleaciones como Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 puede visualizarse asumiendo que los granos HDDR se han nucleado y crecido dentro de una región de grano original de la fundición a partir de granos submicrónicos, estos últimos con una orientación común (Harris 1992).Evidentemente, el efecto del aditivo es el de provocar centros de nucleación para la nucleación y el crecimiento de los granos HDDR, habiendo mantenido estos últimos la orientación del grano original fundido.Tomida et al. (1996) han utilizado la difracción de rayos X para establecer una correlación entre la naturaleza anisotrópica del polvo HDDR final y la cantidad de fase Nd2Fe14B que queda sin reaccionar en el proceso de hidrogenación. Los estudios de TEM realizados por Tomida et al. sobre el polvo hidrogenado en condiciones óptimas de producto energético mostraron que tras la hidrogenación el polvo está formado principalmente por α-Fe y Fe2B de grano grueso, con partículas nanocristalinas incrustadas en medio. Estas partículas fueron identificadas por difracción de electrones como partículas de NdH2. Sin embargo, muchas de las partículas se identificaron como partículas de Nd2Fe14B con una orientación cristalográfica casi igual a la de los granos originales de Nd2Fe14B fundidos. Los espectros de dispersión de energía mostraron además que estas partículas tienen una mayor concentración de cobalto y galio que la correspondiente a la concentración media de la aleación de partida. Estos resultados han llevado a Tomida et al. a proponer que este tipo de partículas nanocristalinas de Nd2Fe14B sirven como centros de iniciación en el proceso de recombinación y son el origen del efecto de memoria orientativa en los polvos HDDR.Otra categoría de materiales que parece ser prometedora son los imanes compuestos nanocristalinos basados en tierras raras. En circunstancias especiales, los materiales compuestos bifásicos pueden mostrar un comportamiento de coercitividad muy interesante. Tal comportamiento ha sido descrito por Kneller y Hawig (1991), quienes investigaron el efecto combinado de dos fases magnéticas finamente dispersas y mutuamente acopladas por intercambio. Una de estas fases tiene una gran constante de anisotropía uniaxial y es capaz de generar una alta coercitividad. En cambio, la segunda fase es magnéticamente blanda. Tiene una mayor temperatura de ordenación magnética y, concomitantemente, una mayor energía media de intercambio que la fase dura. Es la magnetización de saturación comparativamente alta de la fase blanda la que, cuando ésta se acopla por intercambio a la fase dura, proporciona una alta remanencia al imán compuesto. La posibilidad de preparar imanes que muestren una mejora de la remanencia ha desencadenado una amplia investigación en este campo (véase Imanes: Mejora de la remanencia).En la mayoría de los sistemas de los que se ha informado sobre la mejora de la remanencia, la fase magnética blanda es α-Fe o una aleación rica en hierro o en cobalto. Ejemplos de fases magnéticamente duras son Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 y Nd(Fe,Mo)12Nx. Las microestructuras de todos estos imanes compuestos tienen en común que consisten en una distribución muy fina de las partículas magnéticas, que cae en el rango de los nanómetros. Para alcanzar esta fina distribución se emplean diversas técnicas, como la hilatura en fusión y la aleación mecánica (véase Imanes: aleados mecánicamente). Este grupo de materiales se denomina imanes permanentes de tierras raras magras. Sus ventajas en comparación con las aleaciones estándar son su excelente resistencia a la corrosión y el hecho de que alcanzan la saturación en un campo aplicado comparativamente bajo. Una desventaja es su coercitividad relativamente baja. La posibilidad de utilizar estos materiales en imanes unidos con resina ha sido descrita por Croat (1997).Otro grupo interesante de materiales son los compuestos R2Fe17 modificados intersticialmente. Aunque las bajas temperaturas de Curie y las anisotropías magnetocristalinas comparativamente bajas hacen que los compuestos de R2Fe17 sean menos atractivos para aplicaciones como materiales magnéticos permanentes, se han alcanzado mejoras considerables con respecto a la anisotropía de la temperatura de Curie y la coercitividad mediante la formación de soluciones sólidas intersticiales obtenidas al combinar estos materiales con carbono o nitrógeno. En general, se cree que la composición de los correspondientes nitruros y carburos ternarios R2Fe17Cx y R2Fe17Nx está restringida al rango 0≤x≤3. Más detalles sobre los rangos de formación y la localización de los átomos intersticiales la red se describen en la revisión de Fujii y Sun (1995).Se han preparado imanes ligados a la resina a partir de polvos Sm2Fe17 nitrogenados con BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, y μoBHc = 6,5 T. Para explorar el coeficiente de temperatura favorablemente bajo de la coercitividad en cuerpos magnéticos adecuados para aplicaciones de alta temperatura Rodewald et al. (1993) y Kuhrt et al. (1993) han investigado imanes ligados con estaño y zinc. En estos casos, sin embargo, las remanencias obtenidas fueron bastante bajas (Br<0,7 T).