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Um cliente que pede um «ímã de terras raras» não nos deu, na verdade, muita informação.
Será que é necessária a máxima potência magnética de uma peça muito pequena? O íman ficará próximo de um enrolamento de motor quente? Está exposto à humidade? Precisa de manter as suas propriedades magnéticas durante dez anos, ou vai ser utilizado num produto de consumo de baixo custo?
Essas perguntas costumam ser mais importantes do que a frase terras raras em si.
O neodímio, o praseodímio, o samário, o disprósio e o térbio estão todos associados aos ímanes permanentes, mas as suas funções são diferentes. O Nd e o Pr estão intimamente associados aos ímanes NdFeB. O samário pertence à família SmCo. O Dy e o Tb são normalmente mencionados quando a coercividade e a desmagnetização a altas temperaturas se tornam questões importantes.
Vale a pena compreender essa diferença antes de comparar os tipos ou os preços dos ímanes.
O que são os elementos de terras raras?
As terras raras são um grupo de 17 elementos metálicos. Este grupo inclui os 15 lantânidos, juntamente com o escândio e o ítrio.
O nome destes recursos tende a dar a impressão de que todos eles são extremamente escassos. Na verdade, essa não é a questão principal. Alguns ocorrem de forma relativamente generalizada, mas a existência de jazidas economicamente viáveis, bem como a separação, o refino e o processamento a jusante, são outra história.
Apenas alguns elementos de terras raras são frequentemente mencionados nas discussões sobre ímanes permanentes.
Elemento | Símbolo | Relevância típica para os ímanes permanentes |
Neodímio | Nd | Principal componente dos ímanes de NdFeB |
Praseodímio | Pr | Utilizado habitualmente com Nd nas ligas de NdPr |
Disprósio | Dy | Utilizado para melhorar a coercividade em classes exigentes |
Térbio | Tb | Útil quando é necessária uma forte resistência à desmagnetização |
Samário | Sm | O elemento de terras raras utilizado nos ímanes de SmCo |
Seria um erro, no entanto, avaliar um íman limitando-se a perguntar quais destes elementos contém.
Uma pequena quantidade de um elemento pode alterar a coercividade. Outro faz parte da fase magnética principal. O processo de produção pode, então, alterar novamente o resultado final.
Os ímanes permanentes não são necessariamente ímanes de terras raras
Os ímanes permanentes já existiam muito antes dos materiais modernos de NdFeB.
A ferrite, o AlNiCo, o SmCo e o NdFeB são todos materiais de ímanes permanentes, mas apenas o SmCo e o NdFeB pertencem às famílias de ímanes de terras raras.
A ferrite é um bom exemplo da importância desta distinção. A sua força magnética é consideravelmente inferior à do NdFeB de alta qualidade, mas a ferrite continua a ser extremamente útil. É económica, resiste bem à corrosão e tem um desempenho perfeitamente adequado em muitos motores, altifalantes e produtos domésticos.
Substituir a ferrite por neodímio nesses produtos não os tornaria automaticamente melhores.
A situação muda quando o espaço se torna limitado.
Se o volume disponível do íman for reduzido, mas o projeto continuar a exigir um fluxo magnético considerável, um íman de maior energia pode resolver um problema que, de outra forma, exigiria um circuito magnético de maiores dimensões. Esta é uma das razões práticas pelas quais os ímanes de terras raras se tornaram importantes em motores compactos e produtos eletrónicos.
O que é que os elementos de terras raras fazem, afinal, no interior de um íman?
A resposta depende do elemento.
A principal fase magnética dura num íman de neodímio baseia-se na fórmula Nd₂Fe₁₄B. A sua estrutura cristalina confere ao material propriedades que permitem atingir uma energia magnética muito elevada.
As ligas utilizadas na produção real são mais complexas.
Parte do neodímio pode ser acompanhada ou substituída por praseodímio. São utilizadas outras adições para ajustar os limites dos grãos, o comportamento face à corrosão, a facilidade de fabrico ou a coercividade. A composição exata varia consoante os produtores e os tipos de ímanes.
É também por isso que a composição química, por si só, não é suficiente para explicar tudo.
Dois ímanes podem parecer semelhantes numa declaração básica de materiais, mas comportam-se de forma diferente após o processamento. A granulometria do pó, a absorção de oxigénio, o alinhamento dos grãos, as condições de sinterização e o tratamento térmico podem todos afetar a peça acabada.
Quem seleciona ímanes baseando-se apenas na composição química está, portanto, a ignorar uma grande parte do panorama geral.
De que forma os elementos de terras raras estão relacionados com os ímanes de NdFeB?
NdFeB significa neodímio-ferro-boro, embora o material comercial raramente se limite apenas a esses três elementos.
O que tornou o NdFeB importante não foi simplesmente a descoberta de mais um material magnético. Permitiu aos projetistas obter muito mais energia magnética a partir de um volume relativamente pequeno.
Considere um servomotor compacto.
Pode haver muito pouca margem para aumentar o tamanho do rotor. Um íman permanente mais potente oferece ao projetista outra forma de atingir o binário necessário sem que o motor fique significativamente maior.
Essa mesma vantagem está presente nas articulações robóticas, nas ferramentas elétricas, nos altifalantes, nos sensores e em muitos sistemas de acionamento elétrico.
No entanto, o tipo de aço com maior remanência nem sempre é a escolha certa.
É frequente recebermos pedidos de informação em que o cliente pede inicialmente «o íman N52 mais potente». Depois de discutida a aplicação, verifica-se que o íman fica instalado num motor que fica bastante quente. Nesse caso, o comportamento térmico e a coercividade podem ser mais importantes do que um pequeno aumento do rendimento magnético à temperatura ambiente.
Uma nota, por si só, nunca descreve a candidatura na sua totalidade.
Por que razão o disprósio e o térbio são importantes?
O Dy e o Tb tornam-se relevantes quando o íman tem de manter a sua magnetização em condições mais adversas.
O calor é uma das preocupações. Um forte campo magnético inverso é outra.
No interior de um motor em funcionamento, um íman permanente não se encontra nas condições ideais descritas nas fichas técnicas de laboratório. Durante o funcionamento, podem ocorrer variações de temperatura, alterações na carga e campos opostos.
Se a coercividade for demasiado baixa, parte do íman pode sofrer uma desmagnetização irreversível.
O disprósio e o térbio podem ajudar a aumentar a resistência a esse problema. A desvantagem é que ambos os materiais são dispendiosos e a simples adição de maiores quantidades não constitui uma solução de engenharia elegante.
Esta situação levou os produtores de ímanes a uma utilização mais eficiente das terras raras pesadas.
A difusão nos limites dos grãos é uma das abordagens. Em vez de distribuir a mesma concentração de Dy ou Tb por todo o corpo do íman, o material pode ser introduzido de forma a concentrar o seu efeito em torno dos limites dos grãos.
O ponto importante para um comprador é simples: um íman com maior teor de Dy não é, automaticamente, superior.
O que importa é saber se o íman acabado possui a coercividade exigida pelo circuito magnético em questão e pela temperatura de funcionamento.
Onde é que o samário-cobalto se enquadra?
SmCo destina-se a um mercado um pouco diferente do do NdFeB comum.
Um projetista raramente o escolhe simplesmente porque pretende a maior força magnética possível. O SmCo tende a ser utilizado quando a estabilidade em condições difíceis começa a superar o custo inicial do material.
A temperatura elevada é um exemplo.
No caso de um instrumento, motor ou sensor que funcione sob calor prolongado, o SmCo pode oferecer uma margem de funcionamento mais adequada do que um tipo de NdFeB. A sua resistência à corrosão também é útil em aplicações em que a proteção da superfície exigiria, de outra forma, uma atenção especial.
Os componentes aeroespaciais, os motores para altas temperaturas e os equipamentos de deteção de precisão são exemplos comuns.
Não é um material perfeito.
O SmCo é frágil. A sua maquinagem requer cuidado, e uma montagem descuidada pode provocar lascas ou fissuras. É também dispendioso quando comparado com muitos tipos comuns de NdFeB.
Não existe uma temperatura universal a partir da qual todos os engenheiros devam deixar de utilizar NdFeB e passar a utilizar SmCo. A geometria do íman, a linha de carga, a classe, os materiais circundantes e a vida útil prevista são fatores que influenciam essa decisão.
Isso torna pouco fiável uma regra simples do tipo «NdFeB abaixo de X °C, SmCo acima de X °C».
Ímanes de terras raras e ímanes permanentes convencionais
Uma comparação básica continua a ser útil, desde que não seja considerada como um quadro de seleção.
Material | Terras raras? | Onde costuma ter um bom desempenho | Principal preocupação |
NdFeB | Sim | Elevada potência magnética num espaço reduzido | O calor e a corrosão dependem fortemente do tipo de aço e da proteção |
SmCo | Sim | Altas temperaturas e ambientes exigentes | Custo e fragilidade |
Ferrita | Não | Aplicações em que o custo é um fator determinante e que exigem resistência à corrosão | Requer mais volume para obter uma saída magnética equivalente |
AlNiCo | Não | Instrumentos e sensores para altas temperaturas | Coercividade relativamente baixa |
Na prática, a escolha do material resume-se, muitas vezes, ao que o projeto consegue suportar.
Se houver espaço suficiente, a ferrite poderá atingir o objetivo a um custo muito mais baixo.
Se for necessário reduzir o tamanho do produto, o NdFeB poderá permitir essa alteração.
Se a estabilidade da temperatura for o fator determinante na conceção, o SmCo começa a justificar o seu preço mais elevado.
Isso é mais útil do que classificar os quatro materiais do «melhor» ao «pior».
Por que razão os ímanes de terras raras conseguem produzir tanta energia magnética?
Existem várias razões, e estas atuam em conjunto.
A estrutura cristalina de materiais como o NdFeB confere-lhes uma forte anisotropia magnética. Em termos simples, o material apresenta direções de magnetização fortemente preferidas.
Um bom processamento cria, assim, uma microestrutura que ajuda o material a manter essa magnetização.
A remanência, a coercividade e o produto energético máximo descrevem diferentes aspetos deste comportamento, mas não devem ser considerados como três valores independentes a maximizar.
Por exemplo, aumentar a remanência só é útil se o íman ainda tiver coercividade suficiente para as suas condições de funcionamento.
O BHmax é particularmente útil quando o tamanho é importante. Um material com um produto energético máximo mais elevado pode, muitas vezes, proporcionar o desempenho magnético necessário com um volume de íman menor.
Isso não significa que todos os projetos devam optar automaticamente pelo material com o maior valor de BHmax.
Os engenheiros estão a equilibrar o rendimento magnético com o preço, a temperatura, o tamanho e a fiabilidade, tudo ao mesmo tempo.
NdFeB ou SmCo?
Esta questão surge frequentemente numa fase demasiado precoce do projeto.
Antes de escolher entre eles, gostaríamos de saber onde é que o íman vai ser colocado.
Um motor industrial relativamente compacto que funcione a temperaturas moderadas levará frequentemente à escolha do NdFeB. Este material está amplamente disponível, existem várias qualidades à escolha e o desempenho magnético é excelente.
Agora imagine um motor diferente.
Funciona continuamente a uma temperatura muito mais elevada. É difícil de reparar e a degradação magnética ao longo da sua vida útil provocaria uma avaria dispendiosa.
O custo adicional do material SmCo pode, à primeira vista, parecer insignificante quando comparado com o custo de redesenhar ou substituir o equipamento mais tarde.
É por isso que as cotações de ímanes baseadas apenas nas dimensões são perigosas.
O mesmo desenho poderia, com toda a razão, ser produzido a partir de dois materiais magnéticos diferentes, dependendo do local onde a peça será efetivamente utilizada.
Ímanes de terras raras nos motores dos veículos elétricos
Os veículos elétricos têm atraído muito mais atenção para os ímanes permanentes de terras raras.
Um motor de tração tem de fornecer um binário substancial sem se tornar excessivamente grande ou pesado. A eficiência é importante porque cada perda elétrica acaba por afetar a autonomia do veículo e a gestão térmica.
O NdFeB funciona bem nesse ambiente, especialmente em projetos de motores síncronos de íman permanente.
Mas um motor de veículo elétrico também ilustra por que razão a seleção dos ímanes não pode limitar-se à resistência à temperatura ambiente.
A temperatura do rotor aumenta durante o funcionamento. O íman pode deparar-se com campos magnéticos opostos de grande intensidade. As condições de condução variam constantemente entre a aceleração, a condução em velocidade de cruzeiro e a travagem regenerativa.
Um tipo de material que apresenta um bom desempenho em ensaios de bancada pode ter uma coercividade insuficiente quando essas condições se combinam.
Por conseguinte, os engenheiros trabalham não só no desenvolvimento de ímanes mais potentes, mas também num melhor design térmico, em estruturas de motor otimizadas e na redução da utilização de terras raras pesadas e dispendiosas.
A orientação de desenvolvimento não se resume simplesmente a «colocar mais materiais de terras raras no motor».
O objetivo é obter o desempenho necessário com menos material e um melhor controlo sobre onde esse material é utilizado.
É possível fabricar um íman de alto desempenho sem terras raras?
Já existem ímanes permanentes sem elementos de terras raras. A ferrite e o AlNiCo são a prova disso.
A parte difícil é a substituição.
Suponhamos que um íman de NdFeB seja removido de um motor compacto e substituído por ferrite. O material de ferrite pode ser mais barato, mas o projetista poderá então necessitar de um maior volume magnético, de um rotor maior ou de uma disposição eletromagnética diferente.
Nessa altura, comparar o preço por quilograma pouco nos diz.
Os investigadores continuam a estudar materiais que reduzam a dependência das terras raras, especialmente materiais capazes de colmatar a diferença de desempenho entre a ferrite e o NdFeB.
Para a indústria, no entanto, um novo material requer mais do que um resultado interessante em laboratório. Tem de ser possível fabricá-lo em grande escala, tem de ser razoavelmente estável, repetível e economicamente viável.
Esse último passo é, muitas vezes, o mais difícil.
O setor industrial tem um impacto maior do que muitos compradores esperam
A produção de NdFeB sinterizado começa normalmente com a preparação da liga, seguida da produção do pó, do alinhamento magnético, da prensagem, da sinterização e do tratamento térmico.
Após a sinterização, os ímanes são usinados até atingirem as suas dimensões finais, revestidos quando necessário e magnetizados.
Nenhuma destas operações é trivial.
O material rico em Nd reage facilmente com o oxigénio. Um controlo inadequado durante a preparação do pó pode afetar tanto a estabilidade do processo como o desempenho do íman. O alinhamento durante a prensagem influencia a orientação magnética. O tratamento térmico afeta os limites dos grãos.
A maquinagem pode dar origem a outro conjunto de problemas.
Os materiais de ímanes permanentes são, em geral, frágeis e não dúcteis. Um desenho dimensional que pareça simples para um componente metálico comum pode exigir uma abordagem completamente diferente quando produzido em NdFeB ou SmCo.
As arestas, as paredes finas, os orifícios pequenos e as tolerâncias muito apertadas podem, todos eles, influenciar o custo de fabrico.
É por isso que a experiência de produção tem, muitas vezes, tanta importância quanto o grau nominal do íman.
Como deve um comprador industrial definir as especificações de um íman de terras raras?
Normalmente, não basta enviar ao fornecedor apenas as dimensões e um pedido de «N52».
A temperatura deve ser abordada em primeiro lugar. Não apenas a temperatura ambiente, mas também a temperatura normal de funcionamento e qualquer pico de curta duração a que a peça possa estar sujeita.
Depois, vem o ambiente.
Um íman utilizado no interior de um sensor seco e selado enfrenta um risco de corrosão muito diferente do de um íman instalado perto de humidade, óleo ou névoa salina.
O circuito magnético também é importante. Os engenheiros podem precisar de saber quais são as características do aço circundante, a folga de ar, a direção da magnetização e se o íman irá ser submetido a um campo inverso.
A escolha do revestimento depende dessas condições e não da aparência.
O volume anual também deve ser discutido numa fase inicial. Uma solução que seja razoável para cinquenta amostras de desenvolvimento pode deixar de ser económica quando a produção atingir várias centenas de milhares de peças.
Na maioria dos projetos industriais, a especificação útil não se resume simplesmente a:
«NdFeB, N52, 20 × 10 × 5 mm.»
Trata-se de uma descrição de como esse íman deve comportar-se uma vez que se encontre no interior do produto acabado.
Perguntas frequentes sobre ímanes de terras raras
Os ímanes de neodímio são ímanes de terras raras?
Sim. O neodímio pertence ao grupo das terras raras e o NdFeB é classificado como um íman permanente de terras raras.
Todos os ímanes permanentes contêm elementos de terras raras?
Não. A ferrite e o AlNiCo não requerem elementos de terras raras.
Qual é o íman permanente mais potente amplamente utilizado?
O NdFeB apresenta, em geral, a maior energia magnética entre os materiais para ímanes permanentes disponíveis no mercado.
É por isso que ímanes de neodímio muito pequenos podem produzir campos magnéticos surpreendentemente fortes.
Por que razão se adiciona disprósio a um íman de NdFeB?
Normalmente, para melhorar a coercividade e reduzir o risco de desmagnetização irreversível, especialmente a temperaturas elevadas.
Um valor mais elevado de Dy não significa necessariamente que o íman seja melhor no seu conjunto. Também pode aumentar o custo e afetar outras propriedades magnéticas.
O SmCo é mais forte do que o NdFeB?
Normalmente, não em termos de energia magnética máxima.
A sua vantagem reside noutros aspetos: estabilidade térmica, comportamento face à corrosão e resistência à desmagnetização em condições exigentes.
A ferrite pode substituir o neodímio?
Por vezes, com bastante sucesso.
Se houver espaço suficiente no produto e o campo magnético necessário for moderado, a ferrite pode ser uma escolha sensata.
Num motor muito compacto, essa mesma substituição pode exigir uma reformulação muito mais abrangente do que apenas o próprio íman.
Uma forma mais útil de pensar nos ímanes de terras raras
O teor de terras raras é apenas uma das componentes de um íman permanente.
O que importa, em última análise, é saber se o componente acabado continua a cumprir a sua função após milhares de horas dentro de um produto real.
Numa aplicação, isso pode significar concentrar a maior potência magnética possível em poucos centímetros cúbicos. Noutra, pode significar resistir ao calor durante anos sem perdas irreversíveis percetíveis.
Esses são problemas de engenharia diferentes.
Assim que se conhecem a temperatura, o espaço, o ambiente, o circuito magnético e a vida útil prevista, torna-se muito mais fácil compreender o papel do Nd, do Pr, do Dy, do Tb ou do Sm. E, nessa altura, a escolha entre NdFeB, SmCo ou um material que não contenha terras raras deixa de ser uma comparação teórica e passa a ser uma decisão prática de conceção.
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