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imán de samario-cobalto

Los imanes de samario-cobalto (SmCo) pertenecen a la categoría de imanes de tierras raras y están compuestos de samario (Sm), un elemento de tierras raras , y cobalto (Co), un m...

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Los imanes de samario-cobalto (SmCo) pertenecen a la categoría de imanes de tierras raras y están compuestos de samario (Sm), un elemento de tierras raras , y cobalto (Co), un metal de transición . Se encuentran entre los imanes permanentes más potentes.

Se desarrollaron a principios de la década de 1960 basándose en el trabajo realizado por Karl Strnat en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson y Alden Ray en la Universidad de Dayton . En particular, Strnat y Ray desarrollaron la primera formulación de SmCo 5 . [ 1 ] [ 2 ]

Los imanes de samario-cobalto generalmente se clasifican de manera similar en fuerza a los imanes de neodimio , [ 3 ] pero tienen clasificaciones de temperatura más altas y mayor coercitividad .

Atributos

Algunas características de los compuestos de samario-cobalto son:

  • Los imanes de samario-cobalto son extremadamente resistentes a la desmagnetización.
  • Estos imanes tienen buena estabilidad térmica, temperaturas máximas de uso de 250 °C (523 K) a 550 °C (823 K) y temperaturas de Curie de 700 °C (973 K) a 800 °C (1070 K) .        
  • Son caros y están sujetos a fluctuaciones de precio (el cobalto es sensible a las fluctuaciones del mercado).
  • Los imanes de samario-cobalto tienen una fuerte resistencia a la corrosión y a la oxidación, generalmente no necesitan recubrimiento y pueden usarse ampliamente en condiciones de trabajo adversas y a altas temperaturas. [ 4 ]
  • Son frágiles y propensos a agrietarse y astillarse. Los imanes de samario-cobalto tienen productos de energía máximos (BH max ) que van desde 14 megagauss-oersteds (MG·Oe) hasta 33 MG·Oe, ≈ 112 kJ/m 3 a 264 kJ/m 3 ; su límite teórico es de 34 MG·Oe, aproximadamente 272 kJ/m 3 .
  • Los imanes de samario-cobalto sinterizados presentan anisotropía magnética , lo que significa que suelen magnetizarse a lo largo de su eje de fácil magnetización, que es la dirección preferida para una magnetización estable. Esto se consigue alineando la estructura cristalina del material durante el proceso de fabricación.

Fases

Los imanes de samario-cobalto están disponibles en dos "series", a saber, imanes SmCo 5 e imanes Sm 2 Co 17. [ 7 ] [ 8 ]

Fase 1:5

Estas aleaciones magnéticas de samario-cobalto (generalmente escritas como SmCo 5 o Serie SmCo 1:5) tienen un átomo de samario de tierras raras por cada cinco átomos de cobalto. En peso, esta aleación magnética suele contener un 36 % de samario, siendo el resto cobalto . [ 9 ] Los productos energéticos de estas aleaciones de samario-cobalto varían de 16 MG·Oe a 25 MG·Oe, es decir, aproximadamente 128 – 200 kJ/m 3 . Estos imanes de samario-cobalto generalmente tienen un coeficiente de temperatura reversible de -0,05 %/°C. La magnetización de saturación se puede lograr con un campo magnetizante moderado. Esta serie de imanes es más fácil de calibrar a un campo magnético específico que los imanes de la serie SmCo 2:17.

En presencia de un campo magnético moderadamente fuerte, los imanes no magnetizados de esta serie tenderán a alinear su eje de orientación con el campo magnético, magnetizándose ligeramente. Esto puede ser un problema si el procesamiento posterior requiere que el imán sea chapado o recubierto. El ligero campo magnético que capta el imán puede atraer residuos durante el proceso de chapado o recubrimiento, provocando fallos en el recubrimiento o una condición mecánica fuera de tolerancia.

B r varía con la temperatura y es una de las características importantes del rendimiento de un imán. Algunas aplicaciones, como los giroscopios inerciales y los tubos de onda progresiva (TWT), necesitan tener un campo constante en un amplio rango de temperaturas. El coeficiente de temperatura reversible (RTC) de B r se define como

(∆B r /B r ) x (1/∆T) × 100%.

Para satisfacer estas necesidades, a finales de la década de 1970 se desarrollaron imanes con compensación de temperatura. En los imanes convencionales de SmCo, B r disminuye al aumentar la temperatura. Por el contrario, en los imanes de GdCo, B r aumenta con la temperatura dentro de ciertos rangos. Al combinar samario y gadolinio en la aleación, el coeficiente de temperatura puede reducirse prácticamente a cero.

Los imanes de SmCo₅ poseen una coercitividad (fuerza coercitiva) muy alta ; es decir, no se desmagnetizan fácilmente. Se fabrican mediante el empaquetamiento de polvos magnéticos de dominio único de grano ancho. El sistema cristalino es hexagonal con grupo espacial P6/mmm. Todos los dominios magnéticos están alineados con el eje de fácil magnetización, que es el perpendicular a la base hexagonal en la red cristalina. En este caso, todas las paredes de dominio se encuentran a 180 grados. En ausencia de impurezas, el proceso de inversión del imán masivo es equivalente al de los nodos de dominio único, donde la rotación coherente es el mecanismo dominante. Sin embargo, debido a imperfecciones en la fabricación, pueden introducirse impurezas en los imanes, las cuales forman núcleos. En este caso, dado que las impurezas pueden tener menor anisotropía o ejes de fácil magnetización desalineados, sus direcciones de magnetización giran con mayor facilidad, lo que rompe la configuración de pared de dominio de 180°. En estos materiales, la coercitividad está controlada por la nucleación. Para obtener una alta coercitividad, el control de impurezas es fundamental en el proceso de fabricación.

Serie 2:17

Estas aleaciones (denominadas Sm₂Co₁₇ o Serie SmCo 2:17) se endurecen por envejecimiento y tienen una composición de dos átomos de samario, un elemento de tierras raras, por cada 13-17 átomos de metales de transición (MT). La disposición de los átomos es romboédrica en el grupo espacial R-3m. El contenido de MT es rico en cobalto, pero también contiene otros elementos como hierro y cobre. Se pueden añadir otros elementos, como circonio , hafnio , etc. , en pequeñas cantidades para lograr una mejor respuesta al tratamiento térmico. En peso, la aleación generalmente contiene un 25 % de samario. Los productos energéticos máximos de estas aleaciones oscilan entre 20 y 32 MGOe, lo que equivale a unos 160-260 kJ/m³ . Estas aleaciones presentan el mejor coeficiente de temperatura reversible de todas las aleaciones de tierras raras, típicamente de -0,03 %/°C. Los materiales de "segunda generación" también pueden utilizarse a temperaturas más elevadas. [ 10 ]

En los imanes de Sm₂Co₁₇ , el mecanismo de coercitividad se basa en el anclaje de las paredes de dominio . Las impurezas presentes en los imanes dificultan el movimiento de las paredes de dominio y, por lo tanto, resisten el proceso de inversión de la magnetización . Para aumentar la coercitividad, se añaden impurezas intencionadamente durante el proceso de fabricación.

Producción

Las aleaciones de samario-cobalto se mecanizan normalmente en estado no magnetizado. El samario-cobalto debe rectificarse mediante un proceso de rectificado húmedo (con refrigerantes a base de agua) y una muela abrasiva de diamante. Se requiere el mismo tipo de proceso si se perforan agujeros u otras características confinadas. Los residuos de rectificado producidos no deben dejarse secar por completo, ya que el samario-cobalto tiene un punto de ignición bajo. Una pequeña chispa, como la producida por la electricidad estática, puede iniciar fácilmente la combustión. [ 11 ]

El método de reducción/fusión y el método de reducción/difusión se utilizan para fabricar imanes de samario-cobalto. Se describirá el método de reducción/fusión, ya que se utiliza para la producción tanto de SmCo 5 como de Sm 2 Co 17. Las materias primas se funden en un horno de inducción o un horno de arco lleno de gas argón. La mezcla se vierte en un molde y se enfría con agua para formar un lingote. La producción de las dos fases no es la misma, lo que se puede comprender observando el diagrama de fases. De hecho, la fase 1:5 no es estable a temperatura ambiente. [ 12 ] Normalmente es posible mantener la fase 1:5 con un enfriamiento rápido después de un proceso de recocido.

El lingote se pulveriza y las partículas se muelen aún más para reducir aún más el tamaño de partícula. Este proceso es importante porque el control del tamaño de grano es fundamental para el control del campo coercitivo. [ 13 ] El polvo resultante se prensa en un molde de la forma deseada, en un campo magnético para orientar el campo magnético de las partículas. Se aplica la sinterización a una temperatura de 1100˚C–1250˚C, seguida de un tratamiento de solución a 1100˚C–1200˚C y finalmente se realiza el revenido en el imán a aproximadamente 700˚C–900˚C. [ 14 ] [ 15 ] Luego se muele y se magnetiza aún más para aumentar sus propiedades magnéticas. El producto terminado se prueba, inspecciona y empaqueta.

El samario puede sustituirse por una porción de otros elementos de tierras raras, como el praseodimio , el cerio y el gadolinio ; el problema radica en los efectos que estas sustituciones pueden tener sobre la temperatura de Curie y el campo coercitivo. El cobalto puede sustituirse por una porción de otros metales de transición, como el hierro , el cobre y el circonio . [ 16 ] [ 17 ]

Usos

Auriculares vintage de los años 80 con imanes de samario-cobalto.

Fender utilizó una de las pastillas para guitarra eléctrica de la serie Samarium Cobalt Noiseless del diseñador Bill Lawrence en la Fender Vintage Hot Rod '57 Stratocaster . [ 18 ] Estas pastillas se utilizaron en las guitarras y bajos de la serie American Deluxe desde 2004 hasta principios de 2010. [ 19 ]

Los imanes de samario-cobalto se utilizan en la industria aeroespacial y de defensa debido a sus excepcionales propiedades magnéticas. [ 20 ] Se emplean en motores y actuadores de alto rendimiento , sensores y giroscopios de precisión , y sistemas satelitales donde la estabilidad y la fiabilidad son esenciales. [ 21 ] También se utilizan en tecnologías médicas, como máquinas de resonancia magnética , marcapasos y bombas médicas. [ 22 ]

A mediados de la década de 1980, algunos auriculares caros, como los Ross RE-278, utilizaban transductores de samario-cobalto denominados "Super Magnet".

Otros usos incluyen:

Véase también

  • Lantánidos : elementos con números atómicos del 57 al 70. 
  • Pesca con imán : búsqueda de objetos ferromagnéticos en aguas exteriores. 
  • Imán de neodimio : el tipo de imán permanente más potente, fabricado con una aleación de neodimio, hierro y boro. 
  • Imán de tierras raras : imán permanente potente fabricado con aleaciones de elementos de tierras raras. 

Referencias

  1. ↑ "Dayton contribuye a la historia de los materiales magnéticos" . Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton . 1998. Archivado del original el 27 de mayo de 2013. Consultado el 10 de enero de 2017 .
  2. ↑ Investigación y desarrollo de aleaciones de metales de transición de tierras raras como materiales para imanes permanentes, AD-750 746 Alden E. Ray, et al, agosto de 1972
  3. ↑ "Toshiba : Comunicado de prensa (16 de agosto de 2012): Toshiba desarrolla un imán de samario-cobalto libre de disprosio para reemplazar el imán de neodimio resistente al calor en aplicaciones esenciales" . www.toshiba.co.jp . 
  4. ↑ Resistencia a la corrosión y oxidación del imán SmCo Archivado el 8 de agosto de 2022 en Wayback Machine , resistencia a la corrosión y oxidación.
  5. ↑ Juha Pyrhönen; Tapani Jokinen; Valéria Hrabovcová (2009). Diseño de Máquinas Eléctricas Rotativas . John Wiley e hijos. pag. 232.ISBN​  978-0-470-69516-6.
  6. ↑ Propiedades físicas y químicas típicas de algunos materiales magnéticos , comparación y selección de imanes permanentes.
  7. ↑ K. Strnat; G. Hoffer; J. Olson; W. Ostertag; JJ Becker (1967). "Una familia de nuevos materiales magnéticos permanentes a base de cobalto". Journal of Applied Physics . 38 (3): 1001– 1002. Bibcode : 1967JAP....38.1001S . doi : 10.1063/1.1709459 .
  8. ↑ T. Ojima; S. Tomizawa; T. Yoneyama; T. Hori (1977). "Propiedades magnéticas de un nuevo tipo de imanes de cobalto de tierras raras Sm2(Co, Cu, Fe, M)17". IEEE Transactions on Magnetics . 13 (5): 1317– 1319. Bibcode : 1977ITM....13.1317O . doi : 10.1109/TMAG.1977.1059703 .
  9. ↑ Marchio, Cathy (14 de junio de 2024). "Todo lo que necesitas saber sobre los imanes de cobalto de samario" . Stanford Magnets . Consultado el 29 de agosto de 2024 .
  10. ↑ Cintas nanocompuestas de Sm-Co obtenidas por extrusión en estado fundido
  11. ↑ Cobalto HSFS , Hoja informativa sobre sustancias peligrosas del Departamento de Salud y Servicios para Personas Mayores de Nueva Jersey.
  12. ↑ Okamoto, H. (2011-01-14). "Co-Sm (Cobalto-Samario)" . Journal of Phase Equilibria and Diffusion . 32 (2): 165– 166. doi : 10.1007/s11669-010-9836-z . ISSN 1547-7037 . 
  13. ↑ Chen, CH; Knutson, SJ; Shen, Y.; Wheeler, RA; Horwath, JC; Barnes, PN (2011-07-04). "El efecto del tamaño de partícula en la coercitividad y la cristalinidad del SmCo5" . Applied Physics Letters . 99 (1). doi : 10.1063/1.3607958 . ISSN 0003-6951 . 
  14. ↑ de Campos, MF; Okumura, H; Hadjipanayis, GC; Rodrigues, D; Landgraf, FJG; Neiva, AC; Romero, SA; Missell, FP (abril de 2004). "Efecto de varios tratamientos térmicos sobre la microestructura y la coercitividad de imanes de SmCo5" . Journal of Alloys and Compounds . 368 ( 1–2 ): 304–307 . doi : 10.1016/s0925-8388(03)00671-6 . ISSN 0925-8388 . 
  15. ↑ den Broeder, FJA; Zijlstra, H. (1976-06-01). "Relación entre la fuerza coercitiva y la microestructura de imanes permanentes de SmCo5 sinterizados" . Journal of Applied Physics . 47 (6): 2688– 2695. doi : 10.1063/1.322990 . ISSN 0021-8979 . 
  16. ↑ Imanes de SmCo sinterizados , Introducción a los imanes de cobalto-samario.
  17. ↑ Gjoka, Margarit; Sarafidis, Charalampos; Giaremis, Stefanos (2024-02-07). "Hacia la producción de una modificación rentable de aleaciones tipo SmCo5 adecuadas para imanes permanentes" . Materials . 17 ( 4): 808. doi : 10.3390/ma17040808 . ISSN 1996-1944 . PMC 10890496. PMID 38399059 .   
  18. ↑ "Fender Vintage Hot Rod '57 Stratocaster" . Fender Hot Rod '57 Stratocaster . Fender. Archivado del original el 9 de diciembre de 2012.
  19. ↑ Smith, Dan. "El corazón y el alma de la nueva serie Fender American Deluxe" . La historia de las pastillas Samarium Cobalt Noiseless . Fender. Archivado del original el 2 de octubre de 2012. Consultado el 16 de agosto de 2012 .
  20. ↑ "Imanes de samario-cobalto (Imanes SmCo)" . Stanford Magnets . Consultado el 10 de agosto de 2024 .
  21. ↑ Universidad de Michigan (1993). Directorio espacial de Jane . Grupo de información de Jane. pág. 547. ISBN  0710610750.
  22. ↑ "Imanes de neodimio frente a imanes de samario-cobalto" . JDA Magnet . Consultado el 10 de agosto de 2024 .