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Un cliente que pide un «imán de tierras raras» en realidad no nos ha dicho gran cosa.
¿Necesitan que una pieza muy pequeña ofrezca el máximo rendimiento magnético? ¿El imán estará situado cerca de un devanado de motor caliente? ¿Estará expuesto a la humedad? ¿Debe mantener sus propiedades magnéticas durante diez años, o se va a incorporar a un producto de consumo de bajo coste?
Esas preguntas suelen ser más importantes que la frase tierras raras en sí mismo.
El neodimio, el praseodimio, el samario, el disprosio y el terbio están todos relacionados con los imanes permanentes, pero sus funciones son diferentes. El Nd y el Pr están estrechamente relacionados con los imanes de NdFeB. El samario pertenece a la familia SmCo. El Dy y el Tb suelen mencionarse cuando la coercitividad y la desmagnetización a altas temperaturas se convierten en motivos de preocupación.
Es importante comprender esa diferencia antes de comparar los grados o los precios de los imanes.
¿Qué son los elementos de tierras raras?
Las tierras raras son un grupo de 17 elementos metálicos. Este grupo incluye los 15 lantánidos, además del escandio y el itrio.
Su nombre tiende a dar la impresión de que todos ellos son extremadamente escasos. En realidad, ese no es el problema principal. Algunos se encuentran con relativa frecuencia, pero los yacimientos económicamente viables, la separación, el refinado y el procesamiento posterior son otra cuestión.
Solo unos pocos elementos de tierras raras suelen mencionarse en los debates sobre imanes permanentes.
Elemento | Símbolo | Relevancia típica para los imanes permanentes |
Neodimio | Nd | Componente principal de los imanes de NdFeB |
Praseodimio | Pr | Se utiliza habitualmente junto con el Nd en las aleaciones de NdPr |
Disprosio | Dy | Se utiliza para mejorar la coercividad en calidades exigentes |
Terbio | Tb | Útil cuando se requiere una gran resistencia a la desmagnetización |
Samario | Sm | El elemento de tierras raras utilizado en los imanes de SmCo |
Sin embargo, sería un error juzgar un imán basándose únicamente en cuáles de estos elementos contiene.
Una pequeña cantidad de un elemento puede modificar la coercitividad. Otro forma parte de la fase magnética principal. El proceso de fabricación puede, a su vez, alterar de nuevo el resultado final.
Los imanes permanentes no son necesariamente imanes de tierras raras
Los imanes permanentes ya existían mucho antes de que se crearan los materiales modernos de NdFeB.
La ferrita, el AlNiCo, el SmCo y el NdFeB son todos materiales de imanes permanentes, pero solo el SmCo y el NdFeB pertenecen a la familia de los imanes de tierras raras.
La ferrita es un buen ejemplo de por qué esta distinción es importante. Su potencia magnética es considerablemente inferior a la del NdFeB de alta calidad; sin embargo, la ferrita sigue siendo extremadamente útil. Es económica, resiste bien la corrosión y ofrece un rendimiento perfectamente adecuado en muchos motores, altavoces y productos domésticos.
Sustituir la ferrita por neodimio en esos productos no los mejoraría automáticamente.
La situación cambia cuando el espacio empieza a escasear.
Si el volumen disponible del imán es reducido, pero el diseño sigue requiriendo un flujo magnético considerable, un imán de mayor energía puede resolver un problema que, de otro modo, requeriría un circuito magnético más grande. Esta es una de las razones prácticas por las que los imanes de tierras raras han cobrado importancia en los motores compactos y los productos electrónicos.
¿Qué función desempeñan realmente los elementos de tierras raras en el interior de un imán?
La respuesta depende del elemento.
La principal fase magnética dura de un imán de neodimio se basa en el Nd₂Fe₁₄B. Su estructura cristalina confiere al material las propiedades que permiten alcanzar una energía magnética muy elevada.
Las aleaciones que se utilizan realmente en la producción son más complejas.
Parte del neodimio puede ir acompañado de praseodimio o sustituirse por él. Se utilizan otros aditivos para ajustar los límites de grano, el comportamiento frente a la corrosión, la facilidad de fabricación o la coercitividad. La composición exacta varía según los fabricantes y los tipos de imán.
Por eso, la composición química por sí sola no basta para dar una visión completa de la situación.
Dos imanes pueden parecer similares en una declaración básica de materiales, pero comportarse de forma diferente tras su procesamiento. El tamaño de las partículas, la absorción de oxígeno, la alineación de los granos, las condiciones de sinterización y el tratamiento térmico pueden influir en la pieza acabada.
Por lo tanto, quien se base únicamente en la composición química a la hora de adquirir imanes se está perdiendo gran parte del panorama general.
¿Qué relación hay entre los elementos de tierras raras y los imanes de NdFeB?
NdFeB son las siglas de «neodimio-hierro-boro», aunque el material comercial rara vez se limita únicamente a esos tres elementos.
Lo que hizo que el NdFeB cobrara importancia no fue simplemente el descubrimiento de otro material magnético. Permitió a los diseñadores obtener mucha más energía magnética a partir de un volumen relativamente pequeño.
Pensemos en un servomotor compacto.
Es posible que haya muy poco margen para aumentar el tamaño del rotor. Un imán permanente más potente ofrece al diseñador otra forma de alcanzar el par necesario sin que el motor aumente de tamaño de forma significativa.
Esa misma ventaja se aprecia en las articulaciones robóticas, las herramientas eléctricas, los altavoces, los sensores y muchos sistemas de accionamiento eléctrico.
Aun así, el grado con mayor remanencia no siempre es la opción más adecuada.
A menudo recibimos consultas en las que el cliente pregunta inicialmente por «el imán N52 más potente». Una vez analizada la aplicación, resulta que el imán se encuentra en un motor que se calienta bastante. En ese caso, el comportamiento térmico y la coercitividad pueden ser más importantes que un pequeño aumento del rendimiento magnético a temperatura ambiente.
Una nota, por sí sola, nunca refleja la totalidad de la solicitud.
¿Por qué son importantes el disprosio y el terbio?
El Dy y el Tb cobran importancia cuando el imán debe mantener su magnetización en condiciones más adversas.
El calor es uno de los motivos de preocupación. Otro es un campo magnético inverso intenso.
En el interior de un motor en funcionamiento, un imán permanente no se encuentra en las condiciones óptimas que se describen en las fichas técnicas de laboratorio. Durante el funcionamiento pueden producirse cambios de temperatura, variaciones de carga y campos opuestos.
Si la coercitividad es demasiado baja, parte del imán puede sufrir una desmagnetización irreversible.
El disprosio y el terbio pueden ayudar a aumentar la resistencia frente a ese problema. El inconveniente es que ambos materiales son caros, y limitarse a añadir más cantidad de ellos no es una solución de ingeniería elegante.
Esto ha llevado a los fabricantes de imanes a hacer un uso más eficiente de las tierras raras pesadas.
La difusión en los límites de grano es una de las opciones. En lugar de distribuir la misma concentración de Dy o Tb por todo el cuerpo del imán, el material puede introducirse de tal forma que su efecto se concentre en torno a los límites de grano.
Lo importante para un comprador es muy sencillo: un imán que contenga más Dy no es necesariamente mejor.
Lo que importa es si el imán terminado tiene la coercitividad que requieren el circuito magnético concreto y la temperatura de funcionamiento.
¿Qué papel desempeña el samario-cobalto?
SmCo se dirige a un mercado algo distinto al del NdFeB convencional.
Es raro que un diseñador lo elija simplemente porque quiera la mayor fuerza magnética posible. El SmCo suele ser la opción elegida cuando la estabilidad en condiciones difíciles empieza a pesar más que el coste inicial del material.
Las altas temperaturas son un ejemplo.
En el caso de un instrumento, motor o sensor que funcione sometido a calor constante, el SmCo puede ofrecer un margen de funcionamiento más adecuado que un tipo de NdFeB. Su resistencia a la corrosión también resulta útil en aplicaciones en las que, de otro modo, la protección de la superficie requeriría una atención especial.
Los componentes aeroespaciales, los motores de alta temperatura y los equipos de detección de precisión son ejemplos habituales.
No es un material perfecto.
El SmCo es frágil. Su mecanizado requiere cuidado, y un montaje descuidado puede provocar astillas o grietas. Además, es caro en comparación con muchos tipos habituales de NdFeB.
No existe una temperatura universal a partir de la cual todos los ingenieros deban dejar de utilizar NdFeB y pasar a utilizar SmCo. La geometría del imán, la línea de carga, el grado, los materiales circundantes y la vida útil prevista influyen en esa decisión.
Por eso, una regla tan simple como «NdFeB por debajo de X °C y SmCo por encima de X °C» no es fiable.
Imanes de tierras raras e imanes permanentes convencionales
Una comparación básica sigue siendo útil, siempre que no se utilice como tabla de selección.
Material | ¿Tierras raras? | Dónde suele funcionar bien | Preocupación principal |
NdFeB | Sí | Alto rendimiento magnético en un espacio reducido | El calor y la corrosión dependen en gran medida del tipo de acero y de la protección. |
SmCo | Sí | Entornos con altas temperaturas y condiciones exigentes | Coste y fragilidad |
Ferrita | No | Aplicaciones en las que el coste es un factor determinante y que requieren resistencia a la corrosión | Requiere más volumen para obtener una salida magnética equivalente |
AlNiCo | No | Instrumentos y sensores para altas temperaturas | Coercitividad relativamente baja |
En la práctica, la elección del material suele depender de lo que el diseño pueda soportar.
Si hay espacio suficiente, la ferrita podría alcanzar el objetivo a un coste mucho menor.
Si es necesario reducir el tamaño del producto, el NdFeB podría permitir ese cambio.
Si la estabilidad térmica es el factor determinante en el diseño, el SmCo empieza a justificar su precio más elevado.
Eso resulta más útil que clasificar los cuatro materiales de «mejor» a «peor».
¿Por qué los imanes de tierras raras pueden generar tanta energía magnética?
Hay varias razones, y todas ellas se complementan entre sí.
La estructura cristalina de materiales como el NdFeB les confiere una fuerte anisotropía magnética. En términos sencillos, el material presenta direcciones de magnetización claramente preferidas.
Un buen procesamiento da lugar a una microestructura que ayuda al material a mantener esa magnetización.
La remanencia, la coercitividad y el producto energético máximo describen diferentes aspectos de este comportamiento, pero no deben considerarse como tres magnitudes independientes que haya que maximizar.
Por ejemplo, aumentar la remanencia solo resulta útil si el imán sigue teniendo suficiente coercitividad para sus condiciones de funcionamiento.
El BHmáx resulta especialmente útil cuando el tamaño es un factor determinante. Un material con un producto energético máximo más elevado suele ofrecer el rendimiento magnético necesario con un volumen de imán menor.
Eso no significa que todos los diseños deban optar automáticamente por el material con el BHmax más alto.
Los ingenieros están buscando el equilibrio entre el rendimiento magnético y el precio, la temperatura, el tamaño y la fiabilidad, todo al mismo tiempo.
¿NdFeB o SmCo?
Esta pregunta suele plantearse demasiado pronto en un proyecto.
Antes de decidirnos por uno u otro, nos gustaría saber dónde se va a colocar el imán.
En el caso de un motor industrial relativamente compacto que funcione a temperaturas moderadas, la elección suele recaer en el NdFeB. Este material se encuentra fácilmente en el mercado, hay muchas calidades entre las que elegir y su rendimiento magnético es excelente.
Ahora imagina un motor diferente.
Funciona de forma continua a una temperatura mucho más elevada. Es difícil de reparar, y el deterioro magnético a lo largo de su vida útil provocaría una avería costosa.
El coste adicional del material SmCo puede parecer insignificante en comparación con el coste que supondría rediseñar o sustituir el equipo más adelante.
Por eso es peligroso basar los presupuestos de imanes únicamente en las dimensiones.
Es perfectamente posible fabricar el mismo dibujo a partir de dos materiales magnéticos diferentes, dependiendo del lugar en el que se vaya a utilizar realmente la pieza.
Imanes de tierras raras en los motores de los vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos han hecho que los imanes permanentes de tierras raras cobren mucha más importancia.
Un motor de tracción debe proporcionar un par considerable sin llegar a ser excesivamente grande ni pesado. La eficiencia es importante porque cada pérdida eléctrica afecta, en última instancia, a la autonomía del vehículo y a la gestión térmica.
El NdFeB funciona bien en ese entorno, sobre todo en los diseños de motores síncronos de imanes permanentes.
Pero el motor de un vehículo eléctrico también pone de manifiesto por qué la selección de imanes no puede limitarse únicamente a la fuerza a temperatura ambiente.
La temperatura del rotor aumenta durante el funcionamiento. El imán puede verse sometido a fuertes campos opuestos. Las condiciones de conducción cambian constantemente entre la aceleración, la marcha en régimen constante y el frenado regenerativo.
Un tipo de material que ofrece un buen rendimiento en un banco de pruebas puede presentar una coercitividad insuficiente cuando se dan esas condiciones conjuntamente.
Por lo tanto, los ingenieros trabajan no solo en imanes más potentes, sino también en un mejor diseño térmico, en estructuras de motor optimizadas y en reducir el uso de tierras raras pesadas y costosas.
La línea de desarrollo no consiste simplemente en «añadir más materiales de tierras raras al motor».
El objetivo es conseguir el rendimiento deseado utilizando menos material y controlando mejor dónde se utiliza ese material.
¿Se puede fabricar un imán de alto rendimiento sin tierras raras?
Ya existen imanes permanentes que no contienen elementos de tierras raras. La ferrita y el AlNiCo son prueba de ello.
Lo difícil es la sustitución.
Supongamos que se retira un imán de NdFeB de un motor compacto y se sustituye por uno de ferrita. El material de ferrita puede ser más barato, pero el diseñador podría necesitar entonces un mayor volumen de imán, un rotor más grande o una disposición electromagnética diferente.
En ese momento, comparar el precio por kilogramo no nos aporta casi nada.
Los investigadores siguen estudiando materiales que reduzcan la dependencia de las tierras raras, especialmente aquellos capaces de cubrir la brecha de rendimiento entre la ferrita y el NdFeB.
Sin embargo, para la industria, un nuevo material requiere algo más que un resultado interesante obtenido en el laboratorio. Debe poder fabricarse a gran escala, ser razonablemente estable, repetible y económicamente viable.
Ese último paso suele ser el más difícil.
La fabricación tiene un impacto mayor de lo que muchos compradores esperan
La producción de NdFeB sinterizado suele comenzar con la preparación de la aleación, a la que siguen la producción de polvo, la alineación magnética, el prensado, la sinterización y el tratamiento térmico.
Tras la sinterización, los imanes se mecanizan hasta alcanzar sus dimensiones definitivas, se recubren cuando es necesario y se magnetizan.
Ninguna de estas operaciones es sencilla.
El material rico en Nd reacciona fácilmente con el oxígeno. Un control deficiente durante la preparación del polvo puede afectar tanto a la estabilidad del proceso como al rendimiento del imán. La alineación durante el prensado influye en la orientación magnética. El tratamiento térmico afecta a los límites de grano.
El mecanizado puede acarrear otra serie de problemas.
Los materiales de imanes permanentes suelen ser más frágiles que dúctiles. Un plano dimensional que parezca sencillo para un componente metálico convencional puede requerir un enfoque completamente diferente cuando se fabrica en NdFeB o SmCo.
Los bordes, las paredes delgadas, los orificios pequeños y las tolerancias muy ajustadas pueden influir en el coste de fabricación.
Por eso, la experiencia en la producción suele ser tan importante como el grado nominal del imán.
¿Cómo debe un comprador industrial especificar las características de un imán de tierras raras?
Por lo general, no basta con enviar al proveedor únicamente las dimensiones y una solicitud de «N52».
En primer lugar, hay que abordar el tema de la temperatura. No solo la temperatura ambiente, sino también la temperatura normal de funcionamiento y cualquier pico de temperatura a corto plazo que pueda alcanzar la pieza.
Luego está el medio ambiente.
Un imán utilizado en el interior de un sensor seco y sellado se enfrenta a un riesgo de corrosión muy diferente al de uno instalado cerca de humedad, aceite o niebla salina.
El circuito magnético también es importante. Es posible que los ingenieros necesiten conocer el acero circundante, el entrehierro, la dirección de magnetización y si el imán se verá sometido a un campo inverso.
La elección del recubrimiento viene determinada por esas condiciones y no por el aspecto.
También conviene abordar con antelación el volumen anual. Una solución que resulte razonable para cincuenta muestras de desarrollo puede que no resulte rentable una vez que la producción alcance varios cientos de miles de unidades.
En la mayoría de los proyectos industriales, la especificación útil no es simplemente:
«NdFeB, N52, 20 × 10 × 5 mm».
Se trata de una descripción de cómo debe comportarse ese imán una vez que se encuentre dentro del producto acabado.
Preguntas frecuentes sobre los imanes de tierras raras
¿Son los imanes de neodimio imanes de tierras raras?
Sí. El neodimio pertenece al grupo de las tierras raras, y el NdFeB se clasifica como imán permanente de tierras raras.
¿Todos los imanes permanentes contienen elementos de tierras raras?
No. La ferrita y el AlNiCo no requieren elementos de tierras raras.
¿Cuál es el imán permanente más potente de los que se utilizan habitualmente?
El NdFeB suele ofrecer la mayor energía magnética entre los materiales de imanes permanentes más habituales en el mercado.
Por eso, unos imanes de neodimio muy pequeños pueden generar campos magnéticos sorprendentemente potentes.
¿Por qué se añade disprosio a un imán de NdFeB?
Normalmente, para mejorar la coercitividad y reducir el riesgo de desmagnetización irreversible, sobre todo a temperaturas elevadas.
Un mayor contenido de Dy no implica necesariamente que el imán sea mejor en general. También puede aumentar el coste y afectar a otras propiedades magnéticas.
¿Es el SmCo más potente que el NdFeB?
Normalmente, no en lo que respecta a la energía magnética máxima.
Su ventaja radica en otros aspectos: la estabilidad térmica, el comportamiento frente a la corrosión y la resistencia a la desmagnetización en condiciones exigentes.
¿Puede la ferrita sustituir al neodimio?
A veces, con bastante éxito.
Si hay suficiente espacio en el producto y el campo magnético necesario es moderado, la ferrita puede ser una opción sensata.
En un motor muy compacto, esa misma sustitución puede requerir rediseñar mucho más que el propio imán.
Una forma más útil de enfocar los imanes de tierras raras
El contenido en tierras raras es solo una de las partes que componen un imán permanente.
Lo que realmente importa es si el componente terminado sigue cumpliendo su función tras miles de horas de funcionamiento dentro de un producto real.
En una aplicación, eso puede significar concentrar la mayor potencia magnética posible en unos pocos centímetros cúbicos. En otra, puede significar resistir el calor durante años sin sufrir pérdidas irreversibles apreciables.
Se trata de problemas de ingeniería distintos.
Una vez que se conocen la temperatura, el espacio, el entorno, el circuito magnético y la vida útil prevista, resulta mucho más fácil comprender el papel que desempeñan el Nd, el Pr, el Dy, el Tb o el Sm. Y, en ese momento, elegir entre NdFeB, SmCo o un material que no contenga tierras raras deja de ser una comparación teórica y se convierte en una decisión práctica de diseño.
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