De que são feitos os ímanes de disco? O guia completo

Os ímanes de disco, também conhecidos como ímanes circulares ou cilíndricos, são incrivelmente úteis para uma variedade de aplicações. Mas de que são feitos exatamente estes ímanes fortes?

Neste guia completo, como profissional fabricante de ímanes de disco, abordaremos tudo o que precisa de saber sobre a composição e o fabrico dos ímanes de disco modernos.

Uma visão geral dos materiais dos discos magnéticos

Os ímanes de disco mais comuns atualmente são feitos de neodímio ferro boro (NdFeB). Também conhecido como ímanes de neodímio ou neoímanes, o NdFeB oferece a maior força magnética por unidade de volume de qualquer material magnético permanente.

Os ímanes de disco NdFeB são compostos por neodímio, ferro e boro como ingredientes principais. Outros elementos como o disprósio, o praseodímio, o cobalto, o níquel, o nióbio e o alumínio podem ser adicionados em quantidades vestigiais para melhorar propriedades específicas.

Por exemplo, o disprósio e o praseodímio ajudam a melhorar a resistência à corrosão. O cobalto aumenta a temperatura de Curie. Os revestimentos de níquel e cobre protegem contra a oxidação.

Cobalto samário (SmCo) é outro material magnético de terras raras fundamental utilizado para ímanes de disco quando é necessária estabilidade a altas temperaturas. O SmCo oferece uma excelente resistência à desmagnetização, embora a sua força magnética seja inferior à do NdFeB.

Existem também ímanes de cerâmica ou de ferriteOs discos magnéticos de cerâmica são compostos por carbonato de estrôncio e óxido de ferro. Embora menos potentes do que os ímanes de terras raras, os ímanes de discos de cerâmica têm as vantagens do baixo custo e da resistência à corrosão.

Processo de fabrico dos ímanes de disco NdFeB

O fabrico de potentes ímanes de NdFeB implica o controlo cuidadoso de um processo de precisão complexo e em várias etapas:

1. Formação de ligas

O neodímio puro, o ferro, o boro e quaisquer outros elementos são primeiro fundidos numa mistura de ligas utilizando fornos de fusão por indução. A mistura de ligas líquidas é então moldada em lingotes.

2. Decrepitação e moagem a jato

Os lingotes de ligas frágeis são decapitados utilizando gás hidrogénio para os decompor num pó magnético. Este pó é depois finamente moído num moinho de jato até atingir um tamanho médio de partícula de cerca de 3 microns.

3. Premir o botão

O pó de NdFeB é prensado num molde utilizando métodos de pressão axial, transversal ou isostática extrema. É aplicado um campo magnético de alinhamento para orientar as partículas de pó.

4. Sinterização

O corpo do íman "verde" comprimido é sinterizado a temperaturas próximas do ponto de fusão, fazendo com que as partículas se fundam. O íman encolhe e densifica-se durante este processo.

5. Recozimento e arrefecimento

O íman sinterizado é rapidamente aquecido, embebido e arrefecido (temperado) para formar a microestrutura metalúrgica e o alinhamento cristalino ideais.

6. Maquinação

O frágil bloco magnético sinterizado requer ferramentas de corte diamantadas para o cortar e triturar até às dimensões finais. Os furos e outras formas complexas podem ser cortados com fio utilizando máquinas EDM.

7. Revestimento e galvanização

É aplicado um revestimento protetor como o níquel-cobre-níquel para proteger contra os agentes de corrosão. Podem também ser adicionados outros revestimentos funcionais.

8. Magnetização

O íman acabado recebe um forte impulso de saturação num magnetizador para orientar os domínios magnéticos para um desempenho magnético ótimo.

E estes são os passos fundamentais para o fabrico dos modernos ímanes de disco de neodímio! A seguir, vamos examinar o processo de fabrico de ímanes ligados e de cerâmica.

Como são fabricados os ímanes de disco ligados

Os ímanes ligados têm uma abordagem diferente à produção:

1. Fresagem a jato

Tal como os ímanes sinterizados, os ímanes ligados começam com uma liga de NdFeB decrépita que é finamente moída até se tornar um pó magnético. É adicionado um polímero de ligação ao moinho a jato para homogeneizar a mistura.

2. Mistura com polímero

O pó é ainda misturado com um polímero de ligação plástico ou elastomérico, juntamente com lubrificantes e agentes de cura. O objetivo é revestir uniformemente cada partícula de pó.

3. Prensagem e cura

A mistura de matéria-prima é prensada na forma de disco magnético utilizando moldagem por compressão ou injeção. Cura-se a uma temperatura elevada, fazendo com que o polímero se fixe à volta das partículas de pó.

4. Magnetização

O corpo magnético ligado curado pode ser magnetizado tal como uma peça sinterizada. No entanto, devido ao facto de o aglutinante não magnético ocupar volume, a força magnética é menor para o mesmo tamanho.

5. Revestimento (facultativo)

Pode ser aplicado um revestimento protetor após a magnetização para aumentar a resistência à corrosão e aos riscos.

Em resumo, os ímanes de disco ligados substituem a fase de sinterização por uma matriz polimérica distribuída para manter as partículas magnéticas unidas.

O aglutinante permite formas mais complexas, mas limita o desempenho térmico e magnético. Vejamos agora a produção convencional de ímanes cerâmicos.

Composição e fabrico de ímanes de disco cerâmico

1. Preparação do pó

Os ímanes de disco começam com a preparação do pó. O óxido de ferro é reduzido a partir de um precursor de ferro e moído com bolas até atingir um tamanho de partícula fino de cerca de 2 microns. Após desoxidação e secagem, o pó de ferro resultante apresenta um comportamento ferromagnético suave.

O carbonato de estrôncio em pó é igualmente pesado e moído para corresponder à estequiometria escolhida.

2. Mistura e calcinação

Os pós de carbonato de ferro e de estrôncio são cuidadosamente misturados para garantir a homogeneidade de todo o lote. O pó misturado é submetido a calcinação a 900-1000°C para remover compostos voláteis como CO2 e ajustar a química da superfície do pó.

3. Compactação

Após a moagem de bolas e a adição de aglutinante, o pó cerâmico é compactado em compactos verdes de ímanes de disco utilizando um campo magnético aplicado, tal como os seus homólogos NdFeB. É necessária uma pressão de cerca de 100-300 MPa para atingir a densidade verde necessária.

4. Sinterização

Os discos de ferrite compactados são então submetidos a uma cozedura prolongada a cerca de 1200°C numa atmosfera de forno altamente oxidante para densificar totalmente, mas evitando a redução do teor de óxido férrico.

5. Maquinação e ensaios

Os ímanes de ferrite sinterizada podem ser rectificados com tolerância antes das verificações finais das propriedades, como a força magnética e a resistividade. Não é efectuada qualquer magnetização adicional, uma vez que a ferrite já está magnetizada desde a fase de compactação.

Em suma, a abordagem convencional da metalurgia do pó permite o fabrico económico de ímanes de ferrite cerâmica, tirando partido de precursores brutos simples, de um processamento descomplicado e da ausência de terras raras pesadas.

Escolher a composição correcta do íman de disco

Agora que já analisámos os processos de fabrico dos principais tipos de ímanes de disco, como escolher o melhor material para a sua aplicação?

Eis um quadro comparativo rápido que abrange o relativo força magnética, limites de temperatura, resistência à corrosão e custo para os materiais comuns dos ímanes de disco:

Neodímio (NdFeB) Os ímanes de disco oferecem o desempenho magnético mais forte por unidade de volume por uma grande margem, mas são vulneráveis à oxidação e à perda de magnetismo acima de 80°C.

Cobalto samário (SmCo) troca parte da força magnética do neodímio por uma resistência muito maior à temperatura e à corrosão, juntamente com custos de matéria-prima mais elevados.

Neodímio ligado utiliza o desempenho inigualável dos pós de NdFeB, mas combina-os numa matriz polimérica fácil de moldar que reduz a temperatura máxima de serviço.

Finalmente, ímanes de cerâmica (ferrite) compostas por ferrite de bário ou de estrôncio têm o menor rendimento magnético, mas a melhor resistência à corrosão e as melhores propriedades térmicas, juntamente com custos muito baixos.

Principais conclusões sobre a composição dos ímanes de disco

Assim, concluímos o nosso olhar profundo sobre o que é a ímanes de disco são feitos e como funcionam os principais processos de fabrico. Aqui estão algumas das principais conclusões:

• Os ímanes de disco são constituídos principalmente por neodímio-ferro-boro (NdFeB), samário-cobalto (SmCo), NdFeB ligado ou cerâmica/ferrite como material magnético.
• Os ímanes de neodímio oferecem a maior força, mas têm menor resistência ao calor e à corrosão. O SmCo troca algum desempenho magnético por uma estabilidade térmica e uma resistência à corrosão radicalmente melhores.
• Os ímanes ligados fornecem uma força magnética intermédia e uma formação conveniente, mas com limites de temperatura mais baixos. Os ímanes de cerâmica/ferrite têm os rendimentos mais baixos com uma durabilidade térmica e química excecional.
• Técnicas de fabrico como a fusão por indução, a fresagem a jato, a prensagem, a sinterização, a maquinagem, o revestimento e a magnetização transformam estas ligas em discos magnéticos de precisão.
• A escolha da composição ideal do íman de disco depende dos seus requisitos de força magnética, gama de temperaturas de funcionamento, resistência ambiental, necessidades mecânicas, restrições geométricas e considerações orçamentais, entre outros factores específicos da aplicação.

Esperamos que este guia lhe tenha dado uma visão aprofundada da ciência dos materiais e da engenharia dos ímanes de disco modernos. Se tiver mais alguma questão, diga-me nos comentários!