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Uma análise prática de como os ímanes permanentes, de neodímio, de terras raras, flexíveis e de ferrite passam da matéria-prima a componentes acabados.
Trabalho com ímanes permanentes desde a fase inicial de desenho e seleção de materiais, passando pela amostragem, inspeção e produção. A resposta resumida é que a maioria dos ímanes comerciais é fabricada a partir de ligas metálicas ou pós cerâmicos. O material é triturado ou moído, moldado sob pressão, aquecido ou unido, acabado à medida e magnetizado. Os ímanes de neodímio e ferrite passam normalmente por processos de prensagem e sinterização. Os ímanes flexíveis são laminados ou extrudidos com borracha ou plástico. Os ímanes naturais, claro, não provêm de nenhuma linha de produção.
Essa é a explicação simples. A produção industrial raramente é assim tão simples.
Um lote pode estar dimensionalmente correto, mas ser magneticamente fraco. Um revestimento pode parecer em bom estado quando sai da fábrica e começar a descascar após a montagem. Um íman muito pequeno pode custar mais a produzir do que um maior, porque metade do material desaparece durante o polimento. Trata-se de problemas de fabrico comuns, não de desastres invulgares.
Tipo de íman | Processo básico de fabrico | Um problema comum na produção |
Neodímio | Pó prensado e sinterização | Oxidação, lasca e falha do revestimento |
Samario-cobalto | Pó prensado e sinterização | Fragilidade e perda por maquinagem |
Ferrita | Prensagem e sinterização a húmido ou a seco | Encolhimento por cozedura |
Íman flexível | Calandragem ou extrusão | Espessura irregular ou adesivo fraco |
Íman colado | Moldagem por injeção ou por compressão | Custo de ferramentas e menor rendimento magnético |
Como são fabricados os ímanes permanentes?
Um íman permanente é fabricado com um material que continua a produzir um campo magnético mesmo depois de o equipamento de magnetização ter sido desligado. O ferro comum pode tornar-se magnético durante algum tempo, mas um íman permanente comercial necessita de uma resistência à desmagnetização muito superior.
O processo de produção depende do material de que o íman é feito.
No caso dos ímanes sinterizados, os fabricantes começam por preparar um pó magnético fino. O pó é prensado até adquirir uma forma aproximada, muitas vezes enquanto um campo magnético alinha os seus grãos. Em seguida, é colocado num forno. Durante a sinterização, as partículas ligam-se entre si e o compacto torna-se denso.
Também encolhe.
Esse encolhimento é uma das razões pelas quais um íman não é normalmente moldado até às suas dimensões finais exatas. As ferramentas têm de ter em conta o que acontece no forno, e as superfícies importantes são normalmente retificadas posteriormente.
Nesta fase, a peça pode parecer um íman, mas, muitas vezes, ainda não está magnetizada. A magnetização é geralmente deixada para uma fase mais avançada da produção. As peças totalmente magnetizadas são difíceis de manusear: encaixam-se umas nas outras, atraem pó de esmerilagem e ferramentas e podem danificar os seus próprios revestimentos.
Isto surpreende muitos compradores de primeira vez. Eles imaginam que o campo magnético se desenvolve lentamente no interior do forno. Na maioria das fábricas, o impulso de magnetização final demora apenas um instante.
Como são fabricados os ímanes de neodímio?
Ímanes de neodímio sinterizados são compostos por uma liga de neodímio, ferro e boro. Podem ser adicionados outros elementos, uma vez que um íman utilizado no interior de um pequeno sensor à temperatura ambiente não está sujeito às mesmas condições que um íman instalado junto ao rotor quente de um motor.
Os metais em bruto são fundidos num ambiente controlado e arrefecidos, transformando-se em escamas de liga. Essas escamas são tornadas frágeis — recorrendo-se frequentemente ao tratamento com hidrogénio — e, em seguida, reduzidas a um pó muito fino.
Este pó não é um material que se deva deixar à vista de todos. Reage facilmente com o oxigénio, e um manuseamento inadequado afeta tanto a segurança como o desempenho magnético. Por isso, a preparação do pó é realizada em condições controladas.
Em seguida, o pó é colocado numa matriz e submetido a prensagem. No caso de um íman anisotrópico, um campo externo alinha as partículas antes ou durante a compactação. A direção é importante. Uma vez que o íman tenha sido concebido e prensado para uma orientação específica, alterar posteriormente a direção da magnetização não é, normalmente, uma tarefa simples.
A peça prensada é designada por «compacto verde». É melhor não deixar cair nenhuma. É frágil antes da sinterização e continua bastante quebradiça depois, embora por razões diferentes.
Depois de sinterizado e submetido a tratamento térmico, o íman é retificado até atingir as suas dimensões finais. A retificação com diamante, o corte em fatias e o corte com fio são técnicas comuns. Uma broca comum, porém, não o é.
Tivemos de lidar com um projeto de um pequeno íman anelar que parecia inofensivo no desenho. O íman tinha uma parede fina, um requisito rigoroso de concentricidade e uma aresta interna afiada. As primeiras amostras passaram na inspeção dimensional, mas várias racharam quando o cliente as encaixou num invólucro de aço.
A primeira hipótese foi uma montagem aproximada.
Foi fabricada uma nova amostra da caixa com um ajuste ligeiramente mais folgado. Alguns ímanes continuavam a rachar. Em seguida, aumentámos a espessura da parede do íman, mas o cliente pretendia manter a tolerância de concentricidade original, o que significava que o custo do retificado mal melhorou. A versão viável só surgiu depois de se terem revisto em conjunto o ajuste, a espessura da parede, a aresta interior e a tolerância.
O íman em si era minúsculo. O problema, porém, não era.
Os ímanes de neodímio também necessitam de proteção contra a corrosão em muitas aplicações. O revestimento de níquel-cobre-níquel é bem conhecido, mas a familiaridade não significa necessariamente que seja a opção mais adequada. Podem ser considerados acabamentos como epóxi, zinco, fosfato, parileno e outros, dependendo dos requisitos relativos à humidade, ao sal, à temperatura, à aderência e às características elétricas.
Um grau magnético mais elevado não consegue compensar um revestimento inadequado.
Como são fabricados os ímanes de terras raras?
Ímanes de neodímio e ímãs de samário-cobalto são ambos descritos como ímanes de terras raras. O seu processo geral de fabrico é semelhante: preparar uma liga, transformá-la em pó, alinhá-la e prensá-la, sinterizá-la, submetê-la a um tratamento térmico e polir o material acabado.
Repetir cada passo faria com que se perdesse o essencial. São escolhidos por razões diferentes.
O neodímio oferece, normalmente, maior intensidade magnética num espaço mais reduzido. O samário-cobalto revela-se frequentemente a melhor opção quando a temperatura de funcionamento é elevada, a corrosão constitui um problema ou a estabilidade magnética é mais importante do que atingir a leitura de campo superficial mais elevada possível.
O samário-cobalto não é um material fácil de usinar. Secções finas e características internas complexas podem resultar em rendimentos dececionantes. Em teoria, pode ser possível obter uma forma detalhada. Por vezes, o orçamento acaba por arrefecer o entusiasmo do cliente.
Pela nossa experiência, o melhor projeto de ímanes de terras raras resulta, muitas vezes, da simplificação do próprio íman e da transferência de parte da complexidade mecânica para um conjunto de aço ou plástico.
Como são fabricados os ímanes flexíveis?
Os ímanes flexíveis são fabricados através da mistura de pó magnético com um aglutinante de borracha ou termoplástico. A maioria utiliza pó de ferrite, embora seja possível adicionar pó de terras raras quando é necessária uma maior resistência.
O composto passa por rolos para formar chapas, ou por uma matriz de extrusão para produzir tiras e perfis. Os ímanes das juntas de frigoríficos são um exemplo comum de extrusão. Os ímanes promocionais e os letreiros magnéticos são normalmente produzidos a partir de chapas ou rolos.
Após a moldagem, o material pode receber uma camada adesiva, uma película imprimível, uma superfície colorida ou um revestimento laminado. Essas adições parecem simples, mas criam os seus próprios problemas. Um adesivo que funciona bem em aço limpo em ambientes interiores pode não ter o mesmo desempenho em superfícies com revestimento em pó, oleosas, curvas ou expostas ao ar livre.
A chapa é frequentemente magnetizada num padrão multipolar numa das suas faces. Isto confere-lhe um desempenho de fixação útil em contacto próximo.
«Contacto próximo» é a expressão-chave.
O material flexível é prático, mas não substitui um íman de neodímio sinterizado quando o projeto inclui um grande entreferro, cargas pesadas, choques repetidos ou vibrações intensas. Por vezes, desaconselhamos a sua utilização, mesmo quando é o produto mais fácil de fornecermos.
Como são fabricados os ímanes de ferrite?
Ímãs de ferrite Começam, principalmente, com óxido de ferro e carbonato de estrôncio. Os materiais são misturados e calcinados para que se forme a fase de ferrite necessária. Depois disso, o material calcinado é triturado e moído até se tornar pó.
Alguns ímanes de ferrite são prensados a seco. Outros são prensados a húmido a partir de uma pasta, enquanto um campo magnético alinha as partículas. A prensagem a húmido é mais lenta e menos limpa, mas pode proporcionar um melhor alinhamento e desempenho magnético.
As peças prensadas são cozidas a alta temperatura. Encolhem no forno e saem duras, com um aspeto semelhante ao da cerâmica e frágeis. As faces críticas são retificadas, uma vez que os métodos normais de maquinagem não são particularmente eficazes na ferrite sinterizada.
A ferrite não requer, normalmente, o revestimento resistente à corrosão utilizado na neodímio. É também relativamente económica. É por isso que continua a ser comum em altifalantes, motores, separadores, fechos magnéticos, brinquedos e produtos para uso no exterior.
É menos potente do que o neodímio em termos de volume, pelo que, normalmente, requer mais espaço.
Isso nem sempre constitui um problema grave. Um grande anel de ferrite num altifalante pode ser uma melhor decisão comercial do que um modelo mais pequeno de neodímio. Deve ser o produto final, e não o catálogo de ímanes, a ditar a decisão.
Como é que os ímanes se formam na natureza?
Os ímanes naturais formam-se sem moinhos de pó, prensas, fornos ou dispositivos de magnetização.
A pedra-ímã é magnetite magnetizada naturalmente. As rochas ricas em ferro podem adquirir e reter magnetismo ao arrefecerem no campo magnético da Terra. Campos magnéticos locais intensos, associados a relâmpagos, também podem magnetizar minerais adequados.
Os ímanes naturais tiveram um papel importante na história da navegação e no desenvolvimento da bússola. Não apresentam uniformidade suficiente em termos de intensidade, composição ou forma para uma produção industrial normal.
A natureza não emite relatórios de inspeção.
Como é que os ímanes são fabricados nas fábricas?
Um fluxograma de uma fábrica costuma parecer simples:
Preparação do material → Conformação → Tratamento térmico ou cura → Maquinação → Revestimento → Magnetização → Inspeção
O problema surge normalmente entre as caixas.
Uma operação de retificação deixa os cantos lascados. Um dispositivo de magnetização produz o número correto de pólos, mas coloca-os alguns graus deslocados em relação à posição pretendida. O revestimento acumula-se no interior de uma folga de montagem estreita. É realizado um ensaio de força de tração numa chapa de aço polida e espessa, enquanto o produto real do cliente utiliza chapa metálica fina pintada.
Ambos os resultados dos testes podem estar corretos. Simplesmente não são comparáveis.
Antes de iniciar a produção personalizada, estes elementos são mais úteis do que um desenho que apresente apenas as dimensões:
Informações do comprador | Por que é que a fábrica precisa disso? |
Direção da magnetização | Determina a configuração de prensagem e magnetização |
Temperatura de funcionamento | Influi na seleção do tipo de material |
Aço de encaixe e entreferro | Altera a força de retenção utilizável |
Ambiente de revestimento | Ajuda a prevenir a corrosão ou a falha de aderência |
Método de montagem | Revela os riscos de fissuras e lascas |
Método de ensaio obrigatório | Evita desacordos após a entrega |
A polaridade merece uma atenção especial. Uma amostra pode ter uma superfície perfeita, um revestimento correto e uma intensidade magnética aceitável, mas mesmo assim ser inútil porque os seus pólos norte e sul estão dispostos de forma incorreta.
Já vimos esse erro chegar à fase de montagem. Nessa altura, as explicações já não servem de muito. As peças têm de ser remagnetizadas — quando o projeto o permitir — ou substituídas.
Então, como é que se fabricam os ímanes? Através da seleção controlada de materiais, prensagem ou moldagem, aquecimento, acabamento, magnetização e testes. Mas essas etapas, por si só, não garantem um bom produto. A fábrica também precisa de compreender qual é a função do íman depois de este sair da mesa de inspeção.
Um íman de neodímio de alta qualidade, quando utilizado com o tipo de aço errado, com um entreferro inadequado ou com a orientação dos pólos incorreta, pode apresentar um desempenho insatisfatório. Um íman de ferrite simples, com um design adequado, pode funcionar durante anos.
A produção é importante. As decisões tomadas antes da produção são igualmente importantes.
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