Imán de samario y cobalto

Un imán de samario-cobalto (SmCo) , un tipo de imán de tierras raras , es un imán permanente potente compuesto de dos elementos básicos: samario y cobalto .

Se desarrollaron a principios de la década de 1960 basándose en el trabajo realizado por Karl Strnat en la base 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 tienen una clasificación de resistencia similar a la de los imanes de neodimio , ^[3] pero tienen clasificaciones de temperatura más altas y una coercitividad más alta .

Algunos atributos del samario-cobalto son:

• Los imanes de samario-cobalto son extremadamente resistentes a la desmagnetización.
• Estos imanes tienen una buena estabilidad de temperatura [(temperaturas máximas de uso entre 250 °C (523 K) y 550 °C (823 K)]; temperaturas de Curie de 700 °C (973 K) a 800 °C (1.070 K).
• Son caros y están sujetos a fluctuaciones de precios (el cobalto es sensible al precio del mercado).
• Los imanes de samario-cobalto tienen una fuerte resistencia a la corrosión y a la oxidación, por lo general no necesitan estar recubiertos y pueden usarse ampliamente en altas temperaturas y malas condiciones de trabajo. ^[4]
• Son frágiles y propensos a agrietarse y astillarse. Los imanes de samario-cobalto tienen productos de energía máxima (BHmax ₎ que van desde 14 megagauss-oersteds (MG·Oe) a 33 MG·Oe, es decir, aproximadamente entre 112 kJ/m3 ^y 264 kJ/m3 ^; su límite teórico es 34 MG·Oe, aproximadamente 272 kJ/ ^m3 .

Los imanes de samario-cobalto sinterizados presentan anisotropía magnética , lo que significa que solo se pueden magnetizar en el eje de su orientación magnética. Esto se logra alineando la estructura cristalina del material durante el proceso de fabricación.

Los imanes de samario-cobalto están disponibles en dos "series", a saber, imanes SmCo ₅ e imanes Sm ₂ Co _17. ^{[7] [8]}

Estas aleaciones de imanes de samario-cobalto (generalmente escritas como SmCo ₅ o SmCo Serie 1:5) tienen un átomo de samario de tierras raras por cada cinco átomos de cobalto. En peso, esta aleación de imanes normalmente contendrá un 36 % de samario y 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 magnético 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 intentarán alinear su eje de orientación con el campo magnético, por lo que se magnetizarán ligeramente. Esto puede ser un problema si el posprocesamiento requiere que el imán se enchape o se cubra. El ligero campo que capta el imán puede atraer residuos durante el proceso de enchapado o recubrimiento, lo que provoca una falla del recubrimiento o una condición mecánica fuera de tolerancia.

B _r se desplaza con la temperatura y es una de las características importantes del rendimiento del imán. Algunas aplicaciones, como los giroscopios inerciales y los tubos de ondas progresivas (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 abordar estos requisitos, a finales de la década de 1970 se desarrollaron imanes con compensación de temperatura. En el caso de los imanes de SmCo convencionales, B _r disminuye a medida que aumenta la temperatura. Por el contrario, en el caso de los imanes de GdCo, B _r aumenta a medida que aumenta la temperatura dentro de ciertos rangos de temperatura. Al combinar samario y gadolinio en la aleación, el coeficiente de temperatura se puede reducir a casi cero.

_{Los imanes de} SmCo5 tienen 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. Todos los dominios magnéticos están alineados con la dirección del eje fácil. En este caso, todas las paredes del dominio están a 180 grados. Cuando no hay impurezas, el proceso de inversión del imán en masa es equivalente a las motas de dominio único, donde la rotación coherente es el mecanismo dominante. Sin embargo, debido a la imperfección de la fabricación, se pueden introducir impurezas en los imanes, que forman núcleos. En este caso, debido a que las impurezas pueden tener una anisotropía menor o ejes fáciles desalineados, sus direcciones de magnetización son más fáciles de girar, lo que rompe la configuración de la pared del dominio de 180°. En tales materiales, la coercitividad se controla mediante la nucleación. Para obtener mucha coercitividad, el control de impurezas es fundamental en el proceso de fabricación.

Estas aleaciones (escritas como Sm ₂ Co ₁₇ , o SmCo Serie 2:17) están endurecidas por envejecimiento con una composición de dos átomos de samario de tierras raras por cada 13–17 átomos de metales de transición (TM). El contenido de TM es rico en cobalto, pero contiene otros elementos como hierro y cobre. Otros elementos como circonio , hafnio y similares pueden agregarse en pequeñas cantidades para lograr una mejor respuesta al tratamiento térmico. En peso, la aleación generalmente contendrá un 25% de samario. Los productos de energía máxima de estas aleaciones varían de 20 a 32 MGOe, lo que equivale a aproximadamente 160-260 kJ/m ³ . Estas aleaciones tienen el mejor coeficiente de temperatura reversible de todas las aleaciones de tierras raras, siendo típicamente -0,03%/°C. Los materiales de "segunda generación" también se pueden usar a temperaturas más altas. ^[10]

En _{los imanes Sm2Co17} , el mecanismo de coercitividad se basa en la fijación de la pared de dominio . Las impurezas dentro de los imanes impiden el movimiento de la pared de dominio y, por lo tanto, resisten el proceso de inversión de la magnetización . Para aumentar la coercitividad, se agregan impurezas intencionalmente durante el proceso de fabricación.

Las aleaciones de samario-cobalto se mecanizan normalmente en estado no magnetizado. El samario-cobalto se debe moler mediante un proceso de pulido húmedo (refrigerantes a base de agua) y una muela de diamante. Se requiere el mismo tipo de proceso si se perforan agujeros u otras características que están confinadas. Los desechos de pulido producidos no deben secarse por completo, ya que el samario-cobalto tiene un punto de ignición bajo. Una pequeña chispa, como la que se produce con la electricidad estática, puede iniciar fácilmente la combustión. ^[11] El fuego resultante puede ser extremadamente caliente y difícil de controlar. ^{[ investigación original? ]}

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 tanto para la producción de SmCo ₅ como de Sm ₂ Co _17. Las materias primas se funden en un horno de inducción lleno de gas argón. La mezcla se vierte en un molde y se enfría con agua para formar un lingote. El lingote se pulveriza y las partículas se muelen aún más para reducir aún más el tamaño de partícula. El polvo resultante se prensa en una matriz de la forma deseada, en un campo magnético para orientar el campo magnético de las partículas. La sinterización se aplica a una temperatura de 1100 ˚C–1250 ˚C, seguida de un tratamiento de solución a 1100 ˚C–1200 ˚C y finalmente se realiza un templado en el imán a aproximadamente 700 ˚C–900 ˚C. ^{[ cita requerida ]} Luego se muele y se magnetiza aún más para aumentar sus propiedades magnéticas. El producto terminado se prueba, se inspecciona y se envasa. ^{[ cita requerida ]}

El samario puede sustituirse por una parte de otros elementos de tierras raras, incluidos praseodimio , cerio y gadolinio ; el cobalto puede sustituirse por una parte de otros metales de transición, incluidos hierro , cobre y circonio . ^[12]

Fender utilizó una de las pastillas de guitarra eléctrica de la serie Samarium Cobalt Noiseless del diseñador Bill Lawrence en la Vintage Hot Rod '57 Stratocaster de Fender . ^[13] Estas pastillas se utilizaron en las guitarras y bajos de la serie American Deluxe desde 2004 hasta principios de 2010. ^[14]

Los imanes de samario-cobalto (SmCo) se utilizan en la industria aeroespacial y de defensa debido a sus excepcionales propiedades magnéticas. ^{[15] Se utilizan en motores y} actuadores de alto rendimiento , sensores de precisión y giroscopios , y sistemas satelitales donde la estabilidad y la confiabilidad son esenciales. ^[16] También se utilizan en tecnologías médicas, incluidas máquinas de resonancia magnética , marcapasos y bombas médicas. ^[17]

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

Otros usos incluyen:

• Motores eléctricos de alta gama utilizados en las clases más competitivas en carreras de slotcar
• Turbomáquinas
• Imanes de campo de tubo de ondas viajeras
• Aplicaciones que requerirán que el sistema funcione a temperaturas criogénicas o temperaturas muy altas (más de 180 °C)
• Aplicaciones en las que se requiere que el rendimiento sea consistente con el cambio de temperatura.
• Espectrómetros de RMN de sobremesa
• Codificadores rotatorios donde realiza la función de actuador magnético

• Lantánidos  : elementos de tierras raras metálicos trivalentes
• Pesca con imanes  : búsqueda de objetos ferromagnéticos en aguas abiertas
• Imán de neodimio  : el tipo más potente de imán permanente hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro.
• Imán de tierras raras  : imán permanente potente fabricado a partir de aleaciones de elementos de tierras raras