Alnico

2 The Permanent Magnet Materials

Os tipos mais comuns de ímanes usados actualmente são ímanes de ferrite dura, ímanes de terras raras como SmCo ou NdFeB, e ímanes do tipo alnico. Destes, os ímanes do tipo alnico têm apenas uma coercividade modesta que leva a características de desmagnetização não lineares. Por este motivo, a sua aplicabilidade é muito limitada em comparação com os outros dois tipos de ímanes. Os ferrites duros têm maior coercividade do que os ímãs de alnico e suas características desmagnetizantes são lineares. No entanto, a remanência e o produto de energia máxima concomitante já são baixos e são ainda mais diminuídos pela colagem. Devido ao seu baixo custo, os ímanes de ferrite ainda são largamente aplicados, embora a maioria dos dispositivos magnéticos correspondentes sejam bastante volumosos e muitas vezes dão um desempenho longe de ser óptimo. Os ímanes permanentes de ferrite dominam actualmente a indústria automóvel e muitas outras aplicações devido ao seu baixo custo e estabilidade comprovada a longo prazo (ver Alnicos e Hexaferrites). Os ímanes baseados em terras raras têm elevados valores de coercividade, o que lhes confere características de desmagnetização linear (ver Ímanes de terras raras: Materiais). Têm altas remanências e os valores típicos dos produtos energéticos alcançados nos ímãs sinterizados são 150 kJ m-3 para SmCo5, e 300 kJ m-3 para Nd2Fe14B. Os primeiros tipos de ímãs são frequentemente utilizados em aplicações de alta temperatura, que se perdem em ímãs ligados (ver Ímanes: Alta Temperatura). Os ímanes do tipo SmCo5 são caros devido ao preço elevado tanto do samário como do cobalto. A situação é mais favorável para os ímãs de NdFeB porque o neodímio é mais barato que o samário e o ferro é muito mais barato que o cobalto, sendo as artes de processamento metalúrgico do pó comparáveis com as do SmCo5. Assim a relação desempenho/preço do Nd2Fe14B é melhor que para o SmCo5. Por esta razão o mercado dos ímanes sinterizados Nd2Fe14B floresceu e continua a crescer (ver Ímanes: Sinterizados). Embora os ímanes sinterizados possam ser fabricados a partir de todos os materiais acima mencionados, apenas os ímanes de ferrite sinterizados e os ímanes de Nd2Fe14B sinterizados penetraram no mercado de forma apreciável. Os ferritas podem ser facilmente obtidos na forma de pó (ver Alnicos e Hexaferritas). Um processamento um pouco especial dos pós de ferrite leva a plaquetas hexagonais que podem ser facilmente alinhadas mecanicamente durante o processo de formação dos ímãs de ligação flexível. A situação é mais difícil no caso do Nd2Fe14B, porque uma simples via metalúrgica de pó de lingotes de Nd2Fe14B fundidos ou recozidos geralmente não leva a pós de coercividade suficientemente alta para uso em ímãs colados. Os pós Coercivos de NdFeB podem ser obtidos através de fiação por fusão (ver Filamentos Metálicos). Nesta técnica, uma fina corrente de liga fundida é pulverizada na superfície externa de uma roda de fiação rápida, levando a fitas ou flocos finos e rapidamente extinguidos. Durante a fiação do fundido, o material é protegido da oxidação, realizando este processo em uma atmosfera protetora ou em vácuo. A taxa de têmpera é da ordem de 105 K s-1 e pode ser variada alterando a velocidade de rotação da roda de fiar. Diferentes taxas de têmpera conduzem a diferentes microestruturas que, por sua vez, determinam as propriedades magnéticas do material fundido fiado. Condições óptimas de fiação por fusão levam a uma liga nanocristalina constituída por grãos finos (normalmente 30 nm) do composto Nd2Fe14B, rodeado por uma fina camada de uma fase eutética rica em neodímio. Na prática, é possível obter resultados mais fiáveis e reprodutíveis utilizando uma taxa de têmpera ligeiramente superior e, subsequentemente, recozendo o material fundido fiado sob condições cuidadosamente controladas. O material fundido fiado é bastante frágil e pode ser moído até um pó fino adequado para a fabricação de ímãs ligados. Como os grãos de Nd2Fe14B têm uma orientação aleatória, estes ímanes ligados são isotrópicos. As partículas de pó de forma esférica fluem melhor no processo de moldagem por injeção, o que permite um maior fator de carga. Tal pó pode ser preparado por um processo de atomização de gás inerte com valores típicos para o diâmetro médio das partículas de 45 mm. Uma vantagem adicional do processo de atomização é a alta taxa de produção e os baixos custos de processamento dos pós (Ma et al. 2002). Uma rota diferente que leva aos pós NdFeB coercivos consiste no chamado processo HDDR (ver Ímãs: Processados HDDR). Este processo envolve essencialmente quatro etapas: hidrogenação do Nd2Fe14B a baixas temperaturas, decomposição do Nd2Fe14BHx em NdH2.7 + Fe + Fe2B, dessorção do gás H2 de NdH2.7, e recombinação do Nd + Fe + Fe2B em Nd2Fe14B. Este processo beneficia-se do fato de que a formação de grãos de Nd2Fe14B na última etapa é uma reação de estado sólido e, portanto, procede a uma taxa consideravelmente menor do que durante a solidificação a partir do derretimento durante um processo de fundição normal. O tamanho médio do grão de Nd2Fe14B permanece na faixa nanométrica e dá origem a coercibilidades suficientemente grandes. Uma outra vantagem é o fato de que o processo HDDR pode ser usado com sucesso para obter partículas anisotrópicas. Takeshita e Nakayama (1992) descobriram que os aditivos de zircônio, háfnio e gálio, em particular, são muito eficazes na produção de pó HDDR anisotrópico. A quantidade de aditivo necessária é surpreendentemente pequena (por exemplo, Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Investigações microscópicas descritas por Harris (1992) revelaram que grãos de HDDR de grandes facetas se tinham formado dentro do grão original fundido da liga. Estes grãos facetados têm uma orientação comum, que é provavelmente a mesma que a do grão original. A natureza anisotrópica dos pós HDDR de ligas como Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 pode assim ser visualizada assumindo que os grãos HDDR se nuclearam e cresceram dentro de uma região de grãos as-cast originais a partir de grãos submicron, tendo estes últimos uma orientação comum (Harris 1992).Evidentemente, o efeito do aditivo é trazer centros de nucleação para nucleação e crescimento dos grãos HDDR, tendo estes últimos mantido a orientação do grão fundido original.Tomida et al. (1996) utilizaram a difração de raios X para estabelecer uma correlação entre a natureza anisotrópica do pó HDDR final e a quantidade de fase Nd2Fe14B que permanece não reagida no processo de hidrogenação. Estudos TEM feitos por Tomida et al. sobre o pó hidrogenado sob condições óptimas do produto energético mostraram que após a hidrogenação o pó consiste principalmente de grãos grosseiros α-Fe e Fe2B, com partículas nanocristalinas incrustadas no meio. Estas partículas foram identificadas por difração de electrões como partículas de NdH2. No entanto, muitas das partículas foram identificadas como partículas de Nd2Fe14B com uma orientação cristalográfica quase igual à dos grãos originais de Nd2Fe14B fundidos. Os espectros dispersivos de energia mostraram ainda que estas partículas são de maior concentração de cobalto e gálio do que a correspondente à concentração média da liga inicial. Estes resultados levaram Tomida et al. a propor que este tipo de partículas nanocristalinas de Nd2Fe14B servem como centros de iniciação no processo de recombinação e são a origem do efeito de memória orientacional nos pós HDDR. Sob circunstâncias especiais, materiais compostos bifásicos podem demonstrar um comportamento de coercividade muito interessante. Tal comportamento tem sido descrito por Kneller e Hawig (1991), que investigaram o efeito combinado de duas fases magnéticas finamente dispersas e mutuamente acopladas. Uma dessas fases tem uma grande constante de anisotropia uniaxial e é capaz de gerar uma alta coercividade. Em contraste, a segunda fase é magneticamente suave. Tem uma temperatura de ordenação magnética maior e concomitantemente uma energia de troca média maior do que a fase dura. É a magnetização de saturação comparativamente alta da fase macia que, quando esta última está acoplada à fase dura, proporciona uma alta remanência ao ímã composto. A possibilidade de preparar ímãs mostrando o aumento da remanência desencadeou uma extensa pesquisa nesta área (ver ímãs: aumento da remanência). Na maioria dos sistemas para os quais o aumento da remanência foi relatado, a fase magneticamente macia é α-Fe ou uma liga rica em ferro ou cobalto. Exemplos de fases magneticamente duras são Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, e Nd(Fe,Mo)12Nx. As microestruturas de todos estes ímanes compostos têm em comum o facto de consistirem numa distribuição muito fina das partículas magnéticas, caindo na faixa nanométrica. Para alcançar esta distribuição fina são utilizadas várias técnicas, incluindo a fiação por fusão e ligas mecânicas (ver Ímanes: Ligados Mecanicamente). Este grupo de materiais é referido como ímanes permanentes de terras raras magras. As suas vantagens em relação às ligas padrão são a sua excelente resistência à corrosão e o facto de alcançarem saturação num campo de aplicação comparativamente baixo. Uma desvantagem é a sua coercividade relativamente baixa. A possibilidade de utilizar estes materiais em ímãs ligados por resina foi descrita pela Croat (1997). Outro grupo interessante de materiais são os compostos R2Fe17 modificados intersticialmente. Embora as baixas temperaturas Curie e comparativamente baixas anisotropia magnetocristalina tornem os compostos R2Fe17 menos atrativos para aplicações como materiais de ímãs permanentes, melhorias consideráveis no que diz respeito à anisotropia e coercividade da temperatura Curie foram alcançadas pela formação de soluções sólidas intersticiais obtidas pela combinação destes materiais com carbono ou nitrogênio. A composição dos correspondentes nitretos e carbonetos ternários R2Fe17Cx e R2Fe17Nx é geralmente acreditada como restrita à faixa 0≤x≤3. Mais detalhes sobre as faixas de formação e localização dos átomos intersticiais da malha são descritos na revisão de Fujii e Sun (1995). Ímãs ligados por resina a partir de pós de Sm2Fe17 nitrogenados foram preparados com BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, e μoBHc = 6,5 T. A fim de explorar o coeficiente de temperatura favoravelmente baixo da coercividade em corpos magnéticos adequados para aplicações a altas temperaturas Rodewald et al. (1993) e Kuhrt et al. (1993) investigaram ímãs de liga de estanho e zinco. Nesses casos, entretanto, as remanências obtidas foram bastante baixas (Br<0,7 T).