Sommario
Un cliente che chiede un “magnete alle terre rare” in realtà non ci ha detto granché.
È necessaria la massima potenza magnetica da un componente di dimensioni molto ridotte? Il magnete sarà posizionato vicino a un avvolgimento del motore soggetto a elevate temperature? È esposto all’umidità? Deve mantenere le proprie proprietà magnetiche per dieci anni, oppure è destinato a un prodotto di consumo a basso costo?
Queste domande di solito sono più importanti della frase terre rare di per sé.
Il neodimio, il praseodimio, il samario, il disprosio e il terbio sono tutti legati ai magneti permanenti, ma svolgono funzioni diverse. Il Nd e il Pr sono strettamente associati ai magneti NdFeB. Il samario appartiene alla famiglia degli SmCo. Il Dy e il Tb vengono solitamente menzionati quando si parla di coercitività e smagnetizzazione ad alta temperatura.
È importante comprendere questa differenza prima di confrontare i gradi di magnetismo o i prezzi.
Cosa sono gli elementi delle terre rare?
Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi metallici. Il gruppo comprende i 15 lantanidi, oltre allo scandio e all'ittrio.
Il loro nome tende a dare l’impressione che siano tutti estremamente rari. Ma non è proprio questo il punto principale. Alcuni sono relativamente diffusi, ma la disponibilità di giacimenti economicamente sfruttabili, la separazione, la raffinazione e la lavorazione a valle sono tutta un’altra questione.
Solo alcuni elementi delle terre rare vengono citati regolarmente nelle discussioni sui magneti permanenti.
Elemento | Simbolo | Rilevanza tipica per i magneti permanenti |
Neodimio | Nd | Componente principale dei magneti NdFeB |
Praseodimio | Pr | Comunemente utilizzato con il Nd nelle leghe NdPr |
Disprosio | Dy | Utilizzato per migliorare la coercività nei gradi più esigenti |
Terbio | Tb | Utile quando è richiesta una forte resistenza alla smagnetizzazione |
Samario | Sm | L'elemento delle terre rare utilizzato nei magneti SmCo |
Sarebbe tuttavia un errore giudicare un magnete limitandosi a chiedersi quali di questi elementi contenga.
Una piccola quantità di un elemento può modificare la coercitività. Un altro elemento fa parte della fase magnetica principale. Il processo di produzione può quindi modificare nuovamente il risultato finale.
I magneti permanenti non sono necessariamente magneti in terre rare
I magneti permanenti esistevano già molto prima dei moderni materiali NdFeB.
La ferrite, l’AlNiCo, lo SmCo e l’NdFeB sono tutti materiali per magneti permanenti, ma solo lo SmCo e l’NdFeB appartengono alla famiglia dei magneti a terre rare.
La ferrite è un ottimo esempio del motivo per cui questa distinzione è importante. La sua forza magnetica è notevolmente inferiore a quella del NdFeB di alta qualità, eppure la ferrite rimane estremamente utile. È economica, resiste bene alla corrosione e offre prestazioni più che adeguate in molti motori, altoparlanti e prodotti per la casa.
Sostituire la ferrite con il neodimio in quei prodotti non li renderebbe automaticamente migliori.
La situazione cambia quando lo spazio diventa limitato.
Se il volume disponibile del magnete è ridotto, ma il progetto richiede comunque un flusso magnetico considerevole, un magnete ad alta energia può risolvere un problema che altrimenti richiederebbe un circuito magnetico più grande. Questo è uno dei motivi pratici per cui i magneti in terre rare hanno acquisito importanza nei motori compatti e nei prodotti elettronici.
Che ruolo svolgono effettivamente gli elementi delle terre rare all’interno di un magnete?
La risposta dipende dall'elemento.
La principale fase magnetica dura presente in un magnete al neodimio è costituita da Nd₂Fe₁₄B. La sua struttura cristallina conferisce al materiale proprietà che consentono di raggiungere livelli molto elevati di energia magnetica.
Le leghe utilizzate nella produzione reale sono più complesse.
Una parte del neodimio può essere accompagnata o sostituita dal praseodimio. Altre aggiunte vengono utilizzate per regolare i bordi di grano, il comportamento alla corrosione, la lavorabilità o la coercitività. La composizione esatta varia a seconda dei produttori e dei tipi di magnete.
Questo è anche il motivo per cui la composizione chimica da sola non basta a fornire un quadro completo della situazione.
Due magneti possono sembrare simili sulla dichiarazione di composizione di base, ma comportarsi in modo diverso dopo la lavorazione. La granulometria della polvere, l’assorbimento di ossigeno, l’allineamento dei grani, le condizioni di sinterizzazione e il trattamento termico possono tutti influire sul pezzo finito.
Chiunque scelga i magneti basandosi esclusivamente sulla composizione chimica tralascia quindi gran parte del quadro generale.
In che modo gli elementi delle terre rare sono collegati ai magneti NdFeB?
NdFeB è l'acronimo di neodimio-ferro-boro, anche se il materiale in commercio raramente è composto esclusivamente da questi tre elementi.
Ciò che ha reso importante l'NdFeB non è stata semplicemente la scoperta di un altro materiale magnetico. Ha permesso ai progettisti di ottenere una quantità di energia magnetica molto maggiore da un volume relativamente ridotto.
Si consideri un servomotore compatto.
Potrebbe esserci pochissimo margine per aumentare le dimensioni del rotore. Un magnete permanente più potente offre al progettista un’altra possibilità per ottenere la coppia richiesta senza che il motore diventi significativamente più grande.
Lo stesso vantaggio si riscontra nelle articolazioni dei robot, negli utensili elettrici, negli altoparlanti, nei sensori e in molti sistemi di azionamento elettrico.
Tuttavia, il grado con la rimanenza più elevata non è sempre la scelta giusta.
Spesso riceviamo richieste in cui il cliente chiede inizialmente “il magnete N52 più potente”. Una volta discussa l’applicazione, si scopre che il magnete è inserito in un motore che si surriscalda notevolmente. In tal caso, il comportamento termico e la coercitività potrebbero essere più importanti di un modesto aumento della potenza magnetica a temperatura ambiente.
Un voto, di per sé, non descrive mai l'intera candidatura.
Perché il disprosio e il terbio sono così importanti?
Il Dy e il Tb assumono rilevanza quando il magnete deve mantenere la propria magnetizzazione in condizioni più difficili.
Il calore è uno dei problemi. Un forte campo magnetico inverso è un altro.
All'interno di un motore in funzione, un magnete permanente non opera nelle condizioni ottimali descritte nelle schede tecniche di laboratorio. Durante il funzionamento possono verificarsi variazioni di temperatura, variazioni di carico e campi opposti.
Se la coercitività è troppo bassa, una parte del magnete può subire una smagnetizzazione irreversibile.
Il disprosio e il terbio possono contribuire ad aumentare la resistenza a tale problema. Lo svantaggio è che entrambi i materiali sono costosi e il semplice fatto di aumentarne la quantità non rappresenta una soluzione ingegneristica ottimale.
Ciò ha spinto i produttori di magneti a un uso più efficiente delle terre rare pesanti.
La diffusione ai confini dei grani rappresenta un approccio possibile. Anziché distribuire la stessa concentrazione di Dy o Tb in tutto il corpo del magnete, il materiale può essere introdotto in modo tale da concentrarne l’effetto attorno ai confini dei grani.
Il punto fondamentale per un acquirente è semplice: un magnete che contiene una maggiore quantità di Dy non è automaticamente migliore.
Ciò che conta è che il magnete finito presenti la coercitività richiesta dal circuito magnetico effettivo e dalla temperatura di esercizio.
In quali applicazioni trova impiego il samario-cobalto?
SmCo si rivolge a un mercato in qualche modo diverso rispetto al normale NdFeB.
Un progettista lo sceglie raramente solo perché desidera la massima forza magnetica possibile. Lo SmCo viene preso in considerazione quando la stabilità in condizioni difficili inizia a prevalere sul costo iniziale del materiale.
L'alta temperatura ne è un esempio.
Per uno strumento, un motore o un sensore sottoposto a calore prolungato, il SmCo può offrire un margine operativo più ampio rispetto a un tipo di NdFeB. La sua resistenza alla corrosione risulta utile anche in applicazioni in cui la protezione della superficie richiederebbe altrimenti un’attenzione particolare.
I componenti aerospaziali, i motori per alte temperature e le apparecchiature di rilevamento di precisione ne sono esempi comuni.
Non è un materiale perfetto.
L'SmCo è un materiale fragile. La lavorazione richiede attenzione e un assemblaggio imprudente può causare scheggiature o crepe. È inoltre costoso rispetto a molti tipi comuni di NdFeB.
Non esiste una temperatura universale alla quale ogni ingegnere dovrebbe smettere di utilizzare il NdFeB e passare allo SmCo. La geometria del magnete, la linea di carico, il grado di qualità, i materiali circostanti e la durata prevista influiscono tutti su tale decisione.
Ciò rende inaffidabile la semplice regola “NdFeB al di sotto di X °C, SmCo al di sopra di X °C”.
Magneti alle terre rare e magneti permanenti convenzionali
Un confronto di base è comunque utile, a condizione che non venga considerato come una tabella di selezione.
Materiale | Terre rare? | Dove di solito offre buone prestazioni | Preoccupazione principale |
NdFeB | Sì | Elevata potenza magnetica in uno spazio ridotto | Il surriscaldamento e la corrosione dipendono in larga misura dal tipo di acciaio e dalla protezione |
SmCo | Sì | Alte temperature e ambienti difficili | Costo e fragilità |
Ferrita | No | Applicazioni in cui il costo è un fattore determinante e che richiedono resistenza alla corrosione | Richiede un volume maggiore per ottenere la stessa potenza magnetica |
AlNiCo | No | Strumenti e sensori per alte temperature | Coercitività relativamente bassa |
In pratica, la scelta dei materiali dipende spesso da ciò che il progetto è in grado di sopportare.
Se lo spazio a disposizione è sufficiente, la ferrite potrebbe consentire di raggiungere l'obiettivo a un costo molto inferiore.
Se è necessario ridurre le dimensioni del prodotto, il NdFeB potrebbe consentire tale modifica.
Se la stabilità termica è il fattore determinante nella progettazione, lo SmCo inizia a giustificare il suo prezzo più elevato.
Questo è più utile che classificare tutti e quattro i materiali dal “migliore” al “peggiore”.
Perché i magneti alle terre rare sono in grado di produrre così tanta energia magnetica?
Ci sono diverse ragioni, che agiscono in sinergia.
La struttura cristallina di materiali come il NdFeB conferisce loro una forte anisotropia magnetica. In parole semplici, il materiale presenta direzioni di magnetizzazione fortemente privilegiate.
Una lavorazione adeguata crea quindi una microstruttura che aiuta il materiale a mantenere tale magnetizzazione.
La rimanenza, la coercitività e il prodotto energetico massimo descrivono diversi aspetti di questo comportamento, ma non dovrebbero essere considerati come tre valori indipendenti da massimizzare.
Ad esempio, aumentare la rimanenza è utile solo se il magnete possiede ancora una coercitività sufficiente per le condizioni di funzionamento.
Il BHmax è particolarmente utile quando le dimensioni contano. Un materiale con un prodotto energetico massimo più elevato spesso è in grado di garantire le prestazioni magnetiche richieste con un volume del magnete inferiore.
Ciò non significa che ogni progetto debba necessariamente optare per il materiale con il BHmax più elevato.
Gli ingegneri stanno cercando di trovare un equilibrio tra potenza magnetica, prezzo, temperatura, dimensioni e affidabilità.
NdFeB o SmCo?
Questa domanda viene spesso posta in una fase troppo precoce del progetto.
Prima di scegliere tra le due opzioni, vorremmo sapere dove verrà posizionato il magnete.
Quando si tratta di un motore industriale relativamente compatto che funziona a temperature moderate, la scelta ricade spesso sul NdFeB. Questo materiale è ampiamente disponibile, offre un’ampia gamma di qualità tra cui scegliere e presenta prestazioni magnetiche eccellenti.
Ora immagina un motore diverso.
Funziona ininterrottamente a una temperatura molto più elevata. È difficile da sottoporre a manutenzione e il deterioramento magnetico nel corso della sua vita utile causerebbe un guasto molto costoso.
Il costo aggiuntivo dei materiali SmCo potrebbe improvvisamente sembrare irrisorio rispetto al costo di una riprogettazione o di una sostituzione delle apparecchiature in un secondo momento.
Ecco perché i preventivi relativi ai magneti basati esclusivamente sulle dimensioni sono rischiosi.
Lo stesso disegno potrebbe essere ragionevolmente realizzato utilizzando due diversi materiali magnetici, a seconda del luogo in cui il componente verrà effettivamente utilizzato.
Magneti alle terre rare nei motori dei veicoli elettrici
I veicoli elettrici hanno attirato molta più attenzione sui magneti permanenti alle terre rare.
Un motore di trazione deve erogare una coppia elevata senza diventare eccessivamente ingombrante o pesante. L'efficienza è fondamentale perché ogni perdita elettrica incide, in ultima analisi, sull'autonomia del veicolo e sulla gestione termica.
Il NdFeB offre ottime prestazioni in tale ambiente, in particolare nei motori sincroni a magneti permanenti.
Ma un motore per veicoli elettrici dimostra anche perché la scelta dei magneti non può limitarsi alla forza a temperatura ambiente.
Durante il funzionamento, la temperatura del rotore aumenta. Il magnete può essere sottoposto a forti campi magnetici opposti. Le condizioni di marcia variano costantemente tra accelerazione, marcia costante e frenata rigenerativa.
Un materiale che offre buone prestazioni su un banco di prova potrebbe presentare una coercitività insufficiente una volta che tali condizioni si verificano contemporaneamente.
Gli ingegneri lavorano quindi non solo per ottenere magneti più potenti, ma anche per migliorare la progettazione termica, ottimizzare la struttura dei motori e ridurre l'uso di terre rare pesanti e costose.
La direzione di sviluppo non consiste semplicemente nell’“inserire una maggiore quantità di materiali delle terre rare nel motore”.
L'obiettivo è ottenere le prestazioni richieste utilizzando meno materiale e garantendo un maggiore controllo sulle aree in cui tale materiale viene impiegato.
È possibile realizzare un magnete ad alte prestazioni senza terre rare?
Esistono già magneti permanenti privi di elementi delle terre rare. La ferrite e l’AlNiCo ne sono la prova.
La parte difficile è la sostituzione.
Supponiamo che un magnete NdFeB venga rimosso da un motore compatto e sostituito con uno in ferrite. Il materiale in ferrite potrebbe essere più economico, ma il progettista potrebbe allora aver bisogno di un volume magnetico maggiore, di un rotore più grande o di una diversa configurazione elettromagnetica.
A quel punto, il confronto del prezzo al chilogrammo non ci dice granché.
I ricercatori continuano a studiare materiali che consentano di ridurre la dipendenza dalle terre rare, in particolare quelli in grado di colmare il divario prestazionale tra la ferrite e il NdFeB.
Per l'industria, tuttavia, un nuovo materiale non può limitarsi a un risultato interessante ottenuto in laboratorio. Deve poter essere prodotto su larga scala, essere ragionevolmente stabile, riproducibile ed economicamente vantaggioso.
Spesso è proprio l'ultimo passo a essere il più difficile.
Il settore manifatturiero ha un impatto maggiore di quanto molti acquirenti si aspettino
La produzione di NdFeB sinterizzato inizia solitamente con la preparazione della lega, seguita dalla produzione della polvere, dall'allineamento magnetico, dalla pressatura, dalla sinterizzazione e dal trattamento termico.
Dopo la sinterizzazione, i magneti vengono lavorati alle dimensioni finali, rivestiti se necessario e magnetizzati.
Nessuna di queste operazioni è banale.
Il materiale ricco di Nd reagisce facilmente con l'ossigeno. Uno scarso controllo durante la preparazione della polvere può influire sia sulla stabilità del processo che sulle prestazioni del magnete. L'allineamento durante la pressatura influenza l'orientamento magnetico. Il trattamento termico influisce sui confini dei grani.
La lavorazione meccanica può comportare un’altra serie di problemi.
I materiali per magneti permanenti sono generalmente fragili piuttosto che duttili. Un disegno quotato che sembra semplice per un normale componente metallico può richiedere un approccio completamente diverso se realizzato in NdFeB o SmCo.
Spigoli, pareti sottili, fori di piccole dimensioni e tolleranze molto strette possono tutti incidere sui costi di produzione.
Ecco perché l'esperienza nella produzione spesso conta tanto quanto il grado nominale del magnete.
In che modo un acquirente del settore industriale dovrebbe specificare le caratteristiche di un magnete alle terre rare?
In genere non è sufficiente inviare a un fornitore solo le dimensioni e una richiesta di “N52”.
Occorre innanzitutto discutere della temperatura. Non solo della temperatura ambiente, ma anche della temperatura normale di funzionamento e di eventuali picchi di breve durata a cui il componente potrebbe essere sottoposto.
Poi c'è la questione ambientale.
Un magnete utilizzato all’interno di un sensore a secco sigillato è esposto a un rischio di corrosione molto diverso rispetto a uno installato in prossimità di umidità, olio o nebbia salina.
Anche il circuito magnetico è importante. Gli ingegneri potrebbero aver bisogno di conoscere la presenza di acciaio circostante, il traferro, la direzione di magnetizzazione e se il magnete sarà sottoposto a un campo inverso.
La scelta del rivestimento dipende da tali condizioni piuttosto che dall'aspetto.
Anche il volume annuale dovrebbe essere discusso sin dall’inizio. Una soluzione che risulta ragionevole per cinquanta campioni di sviluppo potrebbe non essere più conveniente una volta che la produzione raggiunge diverse centinaia di migliaia di pezzi.
Per la maggior parte dei progetti industriali, la specifica utile non è semplicemente:
“NdFeB, N52, 20 × 10 × 5 mm.”
Si tratta di una descrizione di come quel magnete deve comportarsi una volta inserito nel prodotto finito.
Domande frequenti sui magneti in terre rare
I magneti al neodimio sono magneti delle terre rare?
Sì. Il neodimio appartiene al gruppo delle terre rare e il NdFeB è classificato come magnete permanente a terre rare.
Ogni magnete permanente contiene elementi delle terre rare?
No. La ferrite e l’AlNiCo non richiedono elementi delle terre rare.
Qual è il magnete permanente più potente tra quelli di uso comune?
Il NdFeB offre generalmente l'energia magnetica più elevata tra i materiali per magneti permanenti comunemente disponibili in commercio.
Ecco perché i magneti al neodimio di dimensioni molto ridotte possono generare campi magnetici sorprendentemente intensi.
Perché aggiungere il disprosio a un magnete NdFeB?
Di solito per migliorare la coercitività e ridurre il rischio di smagnetizzazione irreversibile, soprattutto a temperature elevate.
Una maggiore quantità di Dy non implica necessariamente un magnete complessivamente migliore. Può anche far aumentare i costi e influire su altre proprietà magnetiche.
Lo SmCo è più potente dell'NdFeB?
Di norma, non in termini di energia magnetica massima.
Il suo vantaggio risiede in altri aspetti: stabilità termica, comportamento alla corrosione e resistenza alla smagnetizzazione in condizioni difficili.
La ferrite può sostituire il neodimio?
A volte con discreto successo.
Se all'interno del prodotto c'è spazio a sufficienza e il campo magnetico richiesto è moderato, la ferrite può rappresentare una scelta ragionevole.
In un motore molto compatto, la stessa sostituzione potrebbe richiedere una riprogettazione che va ben oltre il solo magnete.
Un modo più utile di considerare i magneti alle terre rare
Il contenuto di terre rare è solo una delle componenti di un magnete permanente.
Ciò che conta, in definitiva, è che il componente finito continui a svolgere la sua funzione anche dopo migliaia di ore all’interno di un prodotto reale.
In un caso, ciò potrebbe significare concentrare la massima potenza magnetica possibile in pochi centimetri cubi; in un altro, potrebbe significare resistere al calore per anni senza subire perdite irreversibili evidenti.
Si tratta di problemi ingegneristici diversi.
Una volta determinati la temperatura, lo spazio, l’ambiente, il circuito magnetico e la durata prevista, il ruolo di Nd, Pr, Dy, Tb o Sm diventa molto più facile da comprendere. A quel punto, la scelta tra NdFeB, SmCo o un materiale non a terre rare smette di essere un confronto teorico e diventa una decisione progettuale concreta.
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