¿De qué están hechos los imanes de disco? La guía completa

Los imanes de disco, también conocidos como imanes circulares o cilíndricos, son increíblemente útiles para una gran variedad de aplicaciones. Pero, ¿de qué están hechos exactamente estos potentes imanes?

En esta completa guía, como profesional fabricante de imanes de discole explicaremos todo lo que necesita saber sobre la composición y fabricación de los imanes de disco modernos.

Visión general de los materiales de los imanes de disco

Los imanes de disco más comunes hoy en día se fabrican con neodimio hierro boro (NdFeB). También conocido como imán de neodimio o neoimán, el NdFeB ofrece la mayor fuerza magnética por unidad de volumen de todos los materiales magnéticos permanentes.

Los imanes de disco NdFeB se componen de neodimio, hierro y boro como ingredientes clave. Otros elementos como el disprosio, el praseodimio, el cobalto, el níquel, el niobio y el aluminio pueden añadirse en pequeñas cantidades para mejorar propiedades específicas.

Por ejemplo, el disprosio y el praseodimio contribuyen a mejorar la resistencia a la corrosión. El cobalto aumenta la temperatura de Curie. Los recubrimientos de níquel y cobre protegen contra la oxidación.

Samario cobalto (SmCo) es otro material magnético clave de tierras raras que se utiliza para imanes de disco cuando se necesita estabilidad a altas temperaturas. El SmCo ofrece una excelente resistencia a la desmagnetización, aunque su fuerza magnética es inferior a la del NdFeB.

También hay imanes cerámicos o de ferritacompuestos de carbonato de estroncio y óxido de hierro. Aunque son menos potentes que los imanes de tierras raras, los imanes de disco cerámicos tienen las ventajas de su bajo coste y su resistencia a la corrosión.

Proceso de fabricación de imanes de disco de NdFeB

La fabricación de potentes imanes de NdFeB implica el control minucioso de un complejo proceso de precisión de varios pasos:

1. Formación de aleaciones

El neodimio puro, el hierro, el boro y otros elementos se funden primero en una mezcla de aleación utilizando hornos de fusión por inducción. A continuación, la mezcla de aleación líquida se funde en lingotes.

2. Decrepitación y molienda por chorro

Los frágiles lingotes de aleación se decapitan utilizando gas hidrógeno para descomponerlos en un polvo magnético. A continuación, este polvo se muele finamente en un molino de chorro hasta alcanzar un tamaño medio de partícula de unas 3 micras.

3. Pulsando

El polvo de NdFeB se prensa en un molde utilizando métodos de presión axial, transversal o isostática extrema. Se aplica un campo magnético de alineación para orientar las partículas de polvo.

4. Sinterización

El cuerpo comprimido del imán "verde" se sinteriza a temperaturas cercanas al punto de fusión, lo que provoca la fusión de las partículas. El imán se contrae y densifica durante este proceso.

5. 5. Recocido y enfriamiento

El imán sinterizado se calienta, empapa y enfría (templado) rápidamente para formar la microestructura metalúrgica y la alineación cristalina óptimas.

6. Mecanizado

El frágil bloque magnético sinterizado requiere herramientas de corte de diamante para cortarlo y rectificarlo hasta las dimensiones finales. Los agujeros y otras formas complejas pueden cortarse con hilo utilizando máquinas de electroerosión.

7. Recubrimiento y chapado

Se aplica un revestimiento protector, como níquel-cobre-níquel, para protegerlo de los agentes corrosivos. También pueden añadirse otros revestimientos funcionales.

8. Magnetización

El imán acabado recibe un fuerte impulso de saturación en un magnetizador para orientar los dominios magnéticos y obtener un rendimiento magnético óptimo.

Estos son los pasos clave para fabricar los modernos imanes de disco de neodimio. A continuación examinaremos el proceso de fabricación de los imanes de cerámica y aglomerados.

Cómo se fabrican los imanes de disco

Los imanes aglomerados se fabrican de forma diferente:

1. Fresado por chorro

Al igual que los imanes sinterizados, los imanes aglomerados parten de una aleación de NdFeB decrépita que se muele finamente hasta obtener un polvo magnético. Se añade un polímero aglutinante al molino de chorro para homogeneizar la mezcla.

2. Mezcla con polímero

A continuación, el polvo se mezcla con un polímero aglutinante plástico o elastomérico, junto con lubricantes y agentes de curado. El objetivo es recubrir uniformemente cada partícula de polvo.

3. Prensado y curado

La mezcla de materias primas se prensa en forma de disco magnético mediante compresión o moldeo por inyección. Se cura a temperatura elevada, lo que hace que el polímero se fije alrededor de las partículas de polvo.

4. Magnetización

El cuerpo del imán adherido curado puede magnetizarse igual que una pieza sinterizada. Sin embargo, debido a que el aglutinante no magnético ocupa volumen, la fuerza magnética es menor por el mismo tamaño.

5. Revestimiento (opcional)

Tras la magnetización, puede aplicarse un revestimiento protector para aumentar la resistencia a la corrosión y a los arañazos.

En resumen, los imanes de disco adheridos sustituyen la fase de sinterización por una matriz polimérica distribuida para mantener unidas las partículas magnéticas.

El aglutinante permite formas más complejas, pero limita el rendimiento térmico y magnético. Veamos ahora la producción convencional de imanes cerámicos.

Composición y fabricación de imanes de disco cerámicos

1. Preparación del polvo

Los imanes de disco comienzan con la preparación del polvo. El óxido de hierro se reduce a partir de un precursor de hierro y se muele con bolas hasta alcanzar un tamaño de partícula fino de unas 2 micras. Tras la desoxidación y el secado, el polvo de hierro resultante presenta un comportamiento ferromagnético blando.

El polvo de carbonato de estroncio también se pesa y se muele para ajustarlo a la estequiometría elegida.

2. Mezcla y calcinación

Los polvos de carbonato de hierro y de estroncio se mezclan a fondo para garantizar la homogeneidad en todo el lote. El polvo mezclado se somete a calcinación a 900-1000°C para eliminar compuestos volátiles como CO2 y ajustar la química de la superficie del polvo.

3. Compactación

Tras la molienda de bolas y la adición de aglutinante, el polvo cerámico se compacta en discos magnéticos verdes utilizando un campo magnético aplicado muy similar al de sus homólogos de NdFeB. Se requiere una presión de unos 100-300 MPa para alcanzar la densidad verde necesaria.

4. Sinterización

A continuación, los discos de ferrita compactados se someten a una cocción prolongada a unos 1.200 °C en una atmósfera de horno altamente oxidante para densificarlos por completo y evitar que se reduzca el contenido de óxido férrico.

5. Mecanizado y pruebas

Los imanes de ferrita sinterizados pueden rectificarse hasta alcanzar la tolerancia antes de realizar las comprobaciones finales de propiedades, como la fuerza magnética y la resistividad. No se realiza ninguna magnetización adicional, ya que la ferrita ya está magnetizada desde la fase de compactación.

En resumen, la pulvimetalurgia convencional permite fabricar imanes cerámicos de ferrita de forma económica, aprovechando precursores simples, un procesamiento sencillo y la ausencia de tierras raras pesadas.

Elección de la composición adecuada del imán de disco

Ahora que hemos estudiado los procesos de fabricación de los principales tipos de imanes de disco, ¿cómo elegir el mejor material para su aplicación?

He aquí una rápida tabla comparativa de los fuerza magnética, límites de temperatura, resistencia a la corrosión y coste para los materiales comunes de los imanes de disco:

Neodimio (NdFeB) Los imanes de disco ofrecen el mayor rendimiento magnético por unidad de volumen con un amplio margen, pero son vulnerables a la oxidación y a la pérdida de magnetismo por encima de 80°C.

Samario cobalto (SmCo) renuncia a parte de la fuerza magnética del neodimio a cambio de una resistencia a la temperatura y a la corrosión mucho mayores, junto con un mayor coste de las materias primas.

Neodimio enlazado toma el rendimiento inigualable de los polvos de NdFeB pero los combina en una matriz polimérica fácil de moldear que reduce la temperatura máxima de servicio.

Por fin, imanes cerámicos (ferrita) compuestos de ferrita de bario o estroncio tienen el menor rendimiento magnético y, sin embargo, la mejor resistencia a la corrosión y propiedades térmicas, además de costes muy bajos.

Aspectos clave de la composición de los imanes de disco

Con esto concluimos nuestro análisis de la imanes de disco y cómo funcionan los principales procesos de fabricación. Estos son algunos de los puntos clave:

• Los imanes de disco se componen principalmente de neodimio hierro boro (NdFeB), samario cobalto (SmCo), NdFeB aglomerado o cerámica/ferrita como material magnético.
• Los imanes de neodimio ofrecen la mayor fuerza, pero tienen menor resistencia al calor y a la corrosión. El SmCo cambia algunas prestaciones magnéticas por una estabilidad térmica y una resistencia a la corrosión radicalmente mejores.
• Los imanes de enlace proporcionan una fuerza magnética intermedia y una formación conveniente, pero límites de temperatura más bajos. Los imanes de cerámica/ferrita tienen los rendimientos más bajos con una extraordinaria durabilidad térmica y química.
• Técnicas de fabricación como la fusión por inducción, el fresado por chorro, el prensado, la sinterización, el mecanizado, el recubrimiento y la magnetización transforman estas aleaciones en imanes de disco de precisión.
• La elección de la composición óptima del imán de disco depende de sus requisitos de fuerza magnética, rango de temperatura de funcionamiento, resistencia ambiental, necesidades mecánicas, limitaciones geométricas y consideraciones presupuestarias, entre otros factores específicos de la aplicación.

Espero que esta guía le haya ayudado a comprender mejor la ciencia de los materiales y la ingeniería de los imanes de disco modernos. Si tiene más preguntas, hágamelo saber en los comentarios.