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Imán de neodimio

Bloque de imán de neodimio Izquierda: imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de Nd₂Fe₁₄B ; derecha: estructura cristalina con la celda unitaria marc...

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Bloque de imán de neodimio
Izquierda: imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de Nd₂Fe₁₄B ; derecha: estructura cristalina con la celda unitaria marcada.
El inventor Masato Sagawa demuestra la fuerza de un imán de NdFeB con una botella de 2 kilogramos (4,4 libras).

Un imán de neodimio ( también conocido como NdFeB , NIB o imán Neo ) es un imán permanente hecho de una aleación de neodimio , hierro y boro que forma la estructura cristalina tetragonal Nd₂Fe₁₄B . [ 1 ] Son el tipo de imán de tierras raras más utilizado . [ 2 ]

Desarrollados independientemente en 1984 por General Motors y Sumitomo Special Metals , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más fuerte disponible comercialmente. [ 1 ] [ 6 ] Han reemplazado a otros tipos de imanes en muchas aplicaciones en productos modernos que requieren imanes permanentes fuertes, como motores eléctricos en herramientas inalámbricas, unidades de disco duro y sujetadores magnéticos.

Los imanes de NdFeB se pueden clasificar como sinterizados o unidos, dependiendo del proceso de fabricación utilizado. [ 7 ] [ 8 ]

Historia

General Motors (GM) y Sumitomo Special Metals descubrieron de forma independiente el compuesto Nd₂Fe₁₄B casi simultáneamente en 1984. [ 3 ] La investigación se impulsó inicialmente por el alto costo de las materias primas de los imanes permanentes de samario-cobalto ( SmCo), que se habían desarrollado con anterioridad. GM se centró en el desarrollo de imanes nanocristalinos de Nd₂Fe₁₄B obtenidos por fusión-hilado , mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd₂Fe₁₄B sinterizados de densidad completa . [ 9 ]

GM comercializó sus invenciones de polvo de neodimio isotrópico , imanes de neodimio unidos y los procesos de producción relacionados mediante la fundación de Magnequench en 1986 (Magnequench pasó a formar parte de Neo Materials Technology, Inc., que posteriormente se fusionó con Molycorp ). La empresa suministraba polvo de Nd₂Fe₁₄B obtenido por hilado en fusión a fabricantes de imanes unidos. La planta de Sumitomo pasó a formar parte de Hitachi y ha fabricado , además de otorgar licencias a otras empresas para la producción de imanes de Nd₂Fe₁₄B sinterizados . Hitachi ha sido propietaria de más de 600 patentes relacionadas con imanes de neodimio. [ 9 ]

Los fabricantes chinos se han convertido en una fuerza dominante en la producción de imanes de neodimio, gracias a su control de gran parte de las minas de tierras raras del mundo. [ 10 ]

El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha identificado la necesidad de encontrar sustitutos para los metales de tierras raras en la tecnología de imanes permanentes y ha financiado dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) ha patrocinado un programa de Alternativas de Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, ARPA-E otorgó US$31,6 millones para financiar proyectos de sustitución de tierras raras. [ 11 ] Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para turbinas eólicas , se ha argumentado que el neodimio será uno de los principales objetos de competencia geopolítica en un mundo que funcione con energías renovables . Esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para la expansión de la producción. [ 12 ]

Propiedades

Imanes de neodimio (pequeños cilindros) que levantan esferas de acero. Estos imanes pueden levantar miles de veces su propio peso.
El ferrofluido sobre una placa de vidrio permite observar el fuerte campo magnético del imán de neodimio que se encuentra debajo.

Propiedades magnéticas

En su forma pura, el neodimio posee propiedades magnéticas; específicamente, es antiferromagnético , pero solo a bajas temperaturas, por debajo de 19 K (−254,2 °C; −425,5 °F) . Sin embargo, algunos compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro son ferromagnéticos , con temperaturas de Curie muy superiores a la temperatura ambiente. Estos se utilizan para fabricar imanes de neodimio.   

La fuerza de los imanes de neodimio es el resultado de varios factores. El más importante es que la estructura cristalina tetragonal Nd₂Fe₁₄B tiene una anisotropía magnetocristalina uniaxial excepcionalmente alta ( H A ≈ 7 T – fuerza del campo magnético H en unidades de A/m frente al momento magnético en A·m² ) . [ 13 ] [ 3 ] Esto significa que un cristal del material se magnetiza preferentemente a lo largo de un eje cristalino específico , pero es muy difícil magnetizarlo en otras direcciones. Al igual que otros imanes, la aleación del imán de neodimio está compuesta por granos microcristalinos que se alinean en un potente campo magnético durante la fabricación, de modo que sus ejes magnéticos apuntan todos en la misma dirección. La resistencia de la red cristalina a cambiar su dirección de magnetización le confiere al compuesto una coercitividad muy alta , o resistencia a la desmagnetización. 

El átomo de neodimio puede tener un gran momento dipolar magnético porque tiene 4 electrones desapareados en su estructura electrónica [ 14 ] en comparación con (en promedio) 3 en el hierro. En un imán, son los electrones desapareados, alineados de manera que su espín esté en la misma dirección, los que generan el campo magnético. Esto le da al compuesto Nd₂Fe₁₄B una alta magnetización de saturación ( Js ≈ 1,6 T o 16 kG ) y una magnetización remanente de típicamente 1,3 teslas. Por lo tanto, como la densidad de energía máxima es proporcional a Js² , esta fase magnética tiene el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética ( BHmax ≈ 512 kJ/m³ o 64 MG·Oe ).     

Este valor de energía magnética es aproximadamente 18 veces mayor que el de los imanes de ferrita "ordinarios" en volumen y 12 veces mayor en masa. Esta propiedad de energía magnética es superior en las aleaciones de NdFeB que en los imanes de samario-cobalto (SmCo) , que fueron el primer tipo de imán de tierras raras en comercializarse. En la práctica, las propiedades magnéticas de los imanes de neodimio dependen de la composición de la aleación, la microestructura y la técnica de fabricación empleada.

La estructura cristalina del Nd₂Fe₁₄B se puede describir como capas alternas de átomos de hierro y un compuesto de neodimio-boro. [ 3 ] Los átomos de boro diamagnéticos no contribuyen directamente al magnetismo, pero mejoran la cohesión mediante enlaces covalentes fuertes. [ 3 ] El contenido relativamente bajo de tierras raras (12% en volumen, 26,7% en masa) y la abundancia relativa de neodimio y hierro en comparación con el samario y el cobalto hacen que los imanes de neodimio sean más baratos que los de la otra familia principal de imanes de tierras raras , los imanes de samario-cobalto . [ 3 ]

Aunque poseen mayor remanencia y una coercitividad y producto energético mucho mayores , los imanes de neodimio tienen una temperatura de Curie más baja que muchos otros tipos de imanes. El hecho de que el Nd₂Fe₁₄B mantenga el orden magnético incluso por encima de la temperatura ambiente se ha atribuido a la presencia de Fe en el material , que estabiliza el orden magnético en la subred de Nd. [ 15 ] Se han desarrollado aleaciones especiales de imanes de neodimio que incluyen terbio y disprosio , las cuales tienen una temperatura de Curie más alta, lo que les permite tolerar temperaturas más elevadas que las aleaciones que contienen solo Nd. [ 16 ]

Propiedades físicas y mecánicas

Microfotografía de NdFeB. Las regiones con bordes dentados son los cristales metálicos, y las franjas en su interior son los dominios magnéticos .

Corrosión

Estos imanes de neodimio se corroieron gravemente tras cinco meses de exposición a la intemperie.

El Nd₂Fe₁₄B sinterizado tiende a ser vulnerable a la corrosión , especialmente en los límites de grano del imán . Este tipo de corrosión puede provocar un deterioro grave, incluyendo la desintegración del imán en un polvo de pequeñas partículas magnéticas o el desprendimiento de la capa superficial.

Esta vulnerabilidad se aborda en muchos productos comerciales mediante la adición de un recubrimiento protector para evitar la exposición a la atmósfera. Los recubrimientos de níquel, níquel-cobre-níquel y zinc son los métodos estándar, aunque también se utilizan recubrimientos con otros metales, o recubrimientos protectores de polímeros y lacas. [ 18 ]

Sensibilidad a la temperatura

El neodimio tiene un coeficiente negativo, lo que significa que la coercitividad, junto con la densidad de energía magnética ( BH max ), disminuye a medida que aumenta la temperatura. Los imanes de neodimio-hierro-boro tienen una alta coercitividad a temperatura ambiente, pero a medida que la temperatura supera los 100 °C (212 °F) , la coercitividad disminuye drásticamente hasta la temperatura de Curie (alrededor de 320 °C o 608 °F ). Esta disminución de la coercitividad limita la eficiencia del imán en condiciones de alta temperatura, como en turbinas eólicas y motores de vehículos híbridos. Se añade disprosio (Dy) o terbio (Tb) para mitigar la disminución del rendimiento debida a los cambios de temperatura. Esta adición encarece la producción de los imanes. [ 19 ] La dependencia de la temperatura de las propiedades magnéticas del material se puede modelar mediante cálculos de estructura electrónica aplicando el modelo de momento local desordenado (DLM) del magnetismo a temperatura finita. [ 15 ]    

Calificaciones

Los imanes de neodimio se clasifican según su producto de energía máximo , que se relaciona con el flujo magnético emitido por unidad de volumen. Valores más altos indican imanes más potentes. Para los imanes de NdFeB sinterizados, existe una clasificación internacional ampliamente reconocida. Sus valores van desde N28 hasta N55, con un máximo teórico en N64. La primera letra N antes de los valores es la abreviatura de neodimio, es decir, imanes de NdFeB sinterizados. Las letras que siguen a los valores indican la coercitividad intrínseca y las temperaturas máximas de funcionamiento (correlacionadas positivamente con la temperatura de Curie ), que van desde la predeterminada (hasta 80 °C o 176 °F ) hasta la TH ( 230 °C o 446 °F ). [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]    

Grados de imanes de NdFeB sinterizados: [ 7 ] [ 23 ] [ 24 ]

  • N27 – N55
  • N30M – N50M
  • N30H – N50H
  • N30SH – N48SH
  • N28UH – N42UH
  • N28EH – N40EH
  • N28TH – N35TH
  • N33VH/AH

Producción

Existen dos métodos principales de fabricación de imanes de neodimio:

  • Metalurgia de polvos clásica o proceso de imán sinterizado [ 25 ]
    • Los imanes de neodimio sinterizados se preparan fundiendo las materias primas en un horno, vertiéndolas en un molde y enfriándolas para formar lingotes. Estos lingotes se pulverizan y muelen; el polvo resultante se sinteriza para obtener bloques densos. Posteriormente, los bloques se someten a un tratamiento térmico, se cortan a la medida, se les da un tratamiento superficial y se magnetizan.
  • Proceso de solidificación rápida o de imán adherido
    • Los imanes de neodimio unidos se preparan mediante el hilado por fusión de una fina cinta de aleación de NdFeB. Esta cinta contiene granos de Nd₂Fe₁₄B a nanoescala orientados aleatoriamente. Posteriormente, la cinta se pulveriza en partículas, se mezcla con un polímero y se moldea por compresión o inyección para obtener imanes unidos.

El polvo de neo Nd-Fe-B aglomerado se une en una matriz de polímero termoplástico para formar los imanes. El material de aleación magnética se forma mediante enfriamiento rápido sobre un tambor refrigerado por agua. Esta cinta metálica se tritura hasta convertirla en polvo y luego se somete a un tratamiento térmico para mejorar su coercitividad . El polvo se mezcla con un polímero para formar una masilla moldeable, similar a un polímero reforzado con fibra de vidrio . Esta se peletiza para su almacenamiento y posteriormente se puede moldear mediante moldeo por inyección . Durante el proceso de moldeo se aplica un campo magnético externo que orienta el campo del imán terminado. [ 26 ] [ 27 ]

En 2015, Nitto Denko de Japón anunció el desarrollo de un nuevo método para la sinterización de material magnético de neodimio. El método utiliza una «tecnología híbrida orgánica/inorgánica» para formar una mezcla similar a la arcilla que puede moldearse en diversas formas para su sinterización. Se afirma que es posible controlar la orientación no uniforme del campo magnético en el material sinterizado para concentrarlo localmente, por ejemplo, para mejorar el rendimiento de los motores eléctricos. La producción en masa está prevista para 2017. [ 28 ] [ 29 ]

Producción mundial de imanes de NdFeB por región

A partir de 2012, se producen oficialmente 50 000 toneladas de imanes de neodimio cada año en China, y 80 000 toneladas en un aumento "empresa por empresa" realizado en 2013. [ 30 ] China produce más del 95 % de los elementos de tierras raras y produce alrededor del 76 % del total mundial de imanes de tierras raras, así como la mayor parte del neodimio del mundo. [ 31 ] [ 32 ] [ 9 ]  

La producción de imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) está altamente concentrada en Asia Oriental: en 2024, los analistas estimaron una producción mundial de aproximadamente 220 000–240 000 toneladas, con al menos el 85 % fabricado en China; la mayor parte del resto se fabrica en Japón y Vietnam. [ 33 ] Japón es el segundo mayor productor con alrededor del 7 % del mercado mundial. [ 34 ] La producción de Vietnam aún es pequeña (alrededor del 1 % en 2023) pero está en expansión a medida que entran en funcionamiento nuevas fábricas. [ 35 ] Fuera de Asia, Estados Unidos y Europa tienen una capacidad limitada pero creciente respaldada por iniciativas de política industrial y nuevas plantas. [ 36 ]

Reciclaje

El reciclaje de imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) se ha convertido en un foco de investigación e industrial cada vez mayor, ya que estos imanes contienen elementos de tierras raras críticos como el neodimio , el praseodimio , el disprosio y el terbio . La producción convencional de imanes depende de la extracción y el refinado de minerales de tierras raras, procesos que consumen mucha energía y son perjudiciales para el medio ambiente. [ 45 ]

Actualmente se están desarrollando varios métodos para el reciclaje de imanes:

  • Reutilización directa: los desechos de mecanizado o los imanes al final de su vida útil pueden procesarse mecánicamente mediante decrepitación con hidrógeno para producir un polvo que puede sinterizarse nuevamente para fabricar nuevos imanes (véase también Metalurgia de polvos ). [ 46 ]
  • Rutas hidrometalúrgicas: basadas en la disolución de imanes en ácido, seguida de la separación de óxidos de tierras raras mediante extracción con disolventes o precipitación . Estos métodos pueden producir productos de tierras raras de alta pureza, pero requieren grandes volúmenes de productos químicos. [ 47 ]
  • Rutas pirometalúrgicas: los procesos de fundición a alta temperatura recuperan aleaciones de tierras raras, a veces coproduciendo hierro o cobalto. Estas rutas son robustas pero requieren mucha energía. [ 48 ] [ 49 ]
  • Extracción selectiva - Evaporación - Electrólisis (SEEE): un proceso emergente en el que los elementos de tierras raras se extraen selectivamente de los residuos de imanes en un disolvente , se concentran por evaporación y luego se recuperan como metales mediante electrólisis de sales fundidas. Este método busca reducir el uso de productos químicos en comparación con la hidrometalurgia y producir aleaciones directamente reutilizables en la fabricación de imanes. [ 50 ]

Se están llevando a cabo proyectos piloto en diferentes regiones para probar la escalabilidad del reciclaje de imanes de NdFeB. Actualmente se están desarrollando proyectos de reciclaje a escala piloto en Estados Unidos. Por ejemplo, la empresa emergente estadounidense HyProMag USA está planificando una planta de reciclaje de imanes de NdFeB a escala industrial cerca de Dallas-Fort Worth, que se espera que comience a operar en 2027 y procese aproximadamente 750 toneladas anuales de imanes reciclados. [ 51 ] En Europa, el proyecto SUSMAGPRO, financiado por la UE, ha demostrado el reciclaje a escala piloto de imanes de NdFeB para su uso en altavoces, motores y turbinas eólicas. [ 52 ] En Japón, Envipro Holdings ha firmado un memorando de entendimiento con HyProMag para llevar a cabo ensayos de reciclaje de NdFeB utilizando chatarra del mercado japonés. [ 53 ]

Aplicaciones

Aplicaciones de imanes existentes

imanes de anillo
La mayoría de los discos duros incorporan imanes potentes.
Esta linterna de alimentación manual utiliza un imán de neodimio para generar electricidad.

Los imanes de neodimio han sustituido a los imanes de alnico y ferrita en muchas de las innumerables aplicaciones de la tecnología moderna donde se requieren imanes permanentes potentes, ya que su mayor fuerza permite el uso de imanes más pequeños y ligeros para una aplicación determinada. Algunos ejemplos son:

  • Generadores eléctricos para aerogeneradores (solo aquellos con excitación por imán permanente)
  • Desacopladores de casos de medios minoristas
  • En las industrias de procesos, se utilizan potentes imanes de neodimio para atrapar cuerpos extraños y proteger productos y procesos [ 55 ].
  • Identificación de metales preciosos en diversos objetos (cubiertos, monedas, joyas, etc.)
  • Herramientas de recogida, incluyendo herramientas para el mantenimiento de la seguridad de los terrenos (clavos).

Nuevas solicitudes

Esferas magnéticas de neodimio ensambladas en forma de cubo.

La gran fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde antes no se usaban imanes, como cierres magnéticos para joyería, fijaciones de aislamiento de aluminio, juegos de construcción magnéticos para niños y otros juguetes con imanes de neodimio , y los mecanismos de cierre de equipos de paracaídas deportivos. [ 56 ] Son el metal principal en los imanes de juguete de escritorio que antes eran populares, "Buckyballs" y "Buckycubes", aunque algunos minoristas estadounidenses han optado por no venderlos debido a preocupaciones sobre la seguridad infantil [ 57 ] y han sido prohibidos en Canadá por la misma razón. [ 58 ] Si bien una prohibición similar en los Estados Unidos se levantó en 2016, la edad mínima recomendada por la CPSC es de 14 años y se requieren etiquetas de advertencia. [ 59 ]

La fuerza y ​​la homogeneidad del campo magnético de los imanes de neodimio también han abierto nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres de resonancia magnética (RM) abiertos utilizados para obtener imágenes del cuerpo en los departamentos de radiología como alternativa a los imanes superconductores que utilizan una bobina de alambre superconductor para producir el campo magnético. [ 60 ]

Los imanes de neodimio se utilizan como sistema antirreflujo quirúrgico, en el que se implanta quirúrgicamente una banda de imanes [ 61 ] alrededor del esfínter esofágico inferior para tratar la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE). [ 62 ] También se han implantado en las yemas de los dedos para proporcionar percepción sensorial de campos magnéticos, [ 63 ] aunque este es un procedimiento experimental popular solo entre biohackers y grinders . [ 64 ]

El neodimio se utiliza en grúas magnéticas, dispositivos que elevan objetos mediante fuerza magnética . [ 65 ] Estas grúas elevan materiales ferrosos como placas de acero, tuberías y chatarra utilizando el campo magnético persistente de los imanes permanentes sin necesidad de una fuente de alimentación continua. [ 66 ] Las grúas magnéticas se utilizan en depósitos de chatarra, astilleros , almacenes y plantas de fabricación . [ 67 ]

Importancia estratégica y dependencia militar

Los imanes de NdFeB son fundamentales no solo para las tecnologías civiles de energía limpia, como los vehículos eléctricos y las turbinas eólicas, sino también para los sistemas militares de alto rendimiento donde la compacidad, la potencia y la fiabilidad son esenciales. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos informa que [ 68 ]

  • El caza furtivo F-35 requiere más de 900 libras (≈ 410 kg) de elementos de tierras raras, incluidos imanes de NdFeB, en sistemas como guerra electrónica, radares y motores eléctricos.
  • Un destructor de la clase Arleigh Burke necesita aproximadamente 5200 libras (≈ 2360 kg).
  • y un submarino de la clase Virginia de alrededor de 9200 libras (≈ 4175 kg).

Contexto político y geopolítico

La cadena de suministro global de imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) tiene profundas implicaciones geopolíticas . Dado que China mantiene una posición dominante —con más del 85 % de la producción mundial—, otros países consideran este control una vulnerabilidad estratégica, especialmente para industrias como la defensa, los vehículos eléctricos y las energías renovables. [ 69 ]

En agosto de 2025, el presidente estadounidense Donald Trump advirtió públicamente que Estados Unidos impondría aranceles de hasta el 200% a los productos chinos si Pekín restringía los envíos de imanes de tierras raras a Estados Unidos, una medida vista como una herramienta de presión en negociaciones comerciales más amplias. [ 70 ] Antes de que terminara 2025, el Pentágono otorgó un préstamo condicionado de 620 millones de dólares al productor de imanes de neodimio Vulcan Elements como parte de un acuerdo conjunto con ReElement Technologies para aumentar su capacidad combinada de producción de imanes de neodimio-hierro-boro, principalmente para uso del ejército estadounidense. [ 71 ] [ 72 ]

Por su parte, China ha intensificado el control sobre las exportaciones de imanes de tierras raras y materiales relacionados. Desde abril de 2025, los exportadores deben obtener una licencia especial para enviar ciertos elementos de tierras raras, como el disprosio y el terbio, así como imanes, y los volúmenes de exportación cayeron alrededor de un 74 % en mayo en comparación con el año anterior. Este mecanismo de licencias pretende ser una herramienta flexible para ejercer influencia geopolítica sin infringir las leyes comerciales. [ 73 ]

Peligros

Las mayores fuerzas que ejercen los imanes de tierras raras crean riesgos que podrían no presentarse con otros tipos de imanes. Los imanes de neodimio de más de unos pocos centímetros cúbicos son lo suficientemente fuertes como para causar lesiones tan graves como fracturas óseas en partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes o entre un imán y una superficie metálica ferrosa. [ 74 ]

Los imanes que se acercan demasiado entre sí pueden chocar con la fuerza suficiente como para astillarse y romperse, y los fragmentos que salen disparados pueden causar diversas lesiones, especialmente oculares . Incluso se han dado casos en los que niños pequeños que han ingerido varios imanes han sufrido la compresión de secciones del tracto digestivo entre dos imanes, lo que les ha provocado lesiones o la muerte. [ 75 ] También puede surgir un grave riesgo para la salud al trabajar con máquinas que contienen imanes o que están adheridas a ellas. [ 76 ]

Los campos magnéticos intensos también pueden ser peligrosos para los dispositivos mecánicos y electrónicos, ya que pueden borrar soportes magnéticos como disquetes y tarjetas de crédito , y magnetizar relojes y las máscaras de sombra de los monitores CRT a mayor distancia que otros tipos de imanes. Los imanes astillados pueden provocar incendios al unirse, generando chispas como si fueran la piedra de un encendedor , debido a que algunos imanes de neodimio contienen ferrocerio .

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Bowley, Roger. "Más con imanes" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
  • Imanes de tierras raras para geeks repelen tiburones
  • Preocupación ante las restricciones impuestas por China a las exportaciones de tierras raras.
  • ¿Qué son los imanes de neodimio?