Materiales magnéticos modernos

Marcelo Pagnola
Investigador Asistente del CONICET y Director de la Planta Piloto de Materiales Magnéticos del Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería (INTECIN, CONICET-UBA)

Hugo Sirkin
Profesor Emérito de la UBA y Director del Proyecto Fonarsec “Nanomagnético” 03. 


Introducción

Una parte fundamental de la tecnología moderna está compuesta por dispositivos que emplean aleaciones ferromagnéticas como componentes. Desde las últimas décadas del siglo pasado, se ha logrado un notable desarrollo de estas aleaciones con nuevas composiciones y métodos de producción que abren perspectivas tecnológicas, económicas y ecológicas inéditas debido a los altos rendimientos, economías de escala, posibilidad de reducción de peso y tamaño y bajo impacto ambiental de los equipos que los contienen. Sin embargo, estos materiales se producen sólo en algunos países desarrollados; ni en la Argentina ni en la región se han generado las capacidades necesarias para cambiar esta situación a escala industrial, y por lo tanto, superar este déficit puede tener significativa importancia.

Antecedentes y situación actual

Los materiales ferromagnéticos se dividen en dos grandes grupos: los llamados “blandos”, de baja coercitividad, que se usan como núcleos magnéticos que operan generalmente con tensiones alternas, y los conocidos como “duros”, de alta coercitividad, destinados a la elaboración de imanes permanentes.
Los materiales magnéticos blandos se emplean en una gran variedad de equipos electromecánicos: transformadores, generadores, motores, rotores, estatores, filtros, electroimanes, núcleos de inductancias, sensores, separadores, frenos, módulos para telecomunicaciones, tecnología médica, etc.
Y los materiales magnéticos duros son insumos esenciales de motores y generadores de diverso tipo, como así también de sensores, detectores biomédicos, transductores, discos de almacenamiento, baterías avanzadas, etc. Más recientemente, estos últimos se han vuelto imprescindibles como componentes de los mecanismos empleados en las tecnologías limpias; en particular, turbinas eólicas, automóviles híbridos (un auto moderno puede llegar a tener hasta 200 imanes), etc.

Materiales magnéticos blandos

Los materiales ferromagnéticos blandos son de gran utilidad porque multiplican la inducción magnética en varios órdenes de magnitud. Durante su empleo con tensiones alternas, estos materiales pierden energía debido a dos mecanismos independientes: por histéresis, a causa de la reorientación cíclica de los dominios, y por corrientes parásitas (o de Foucault). Estas pérdidas pueden representar entre el 5% y el 10% de la energía producida, según la tecnología empleada. En nuestro país, las pérdidas en la transmisión y distribución de la energía eléctrica tienen una media de alrededor del 13% con oscilaciones que van del 12% al 30%, dependiendo de las regiones. Casi un 50% de éstas se produce en los transformadores de transmisión y distribución, y reducirlas requiere la utilización de materiales ferromagnéticos blandos para disminuir la disipación por histéresis. Si éstos poseen una alta resistividad eléctrica, se disminuyen también las pérdidas generadas por las corrientes parásitas.
Actualmente, lo fundamental de la producción de sistemas blandos se basa en aceros de FeSi de grano orientado y no orientado (los más usados por su reducido costo, pero de baja resistencia eléctrica), ferritas y aleaciones de Ni-Fe y Co-Fe. La mayoría de estos materiales se obtiene por colada convencional de lingotes que deben ser sometidos a tratamientos térmicos y mecánicos para su uso, lo que trae aparejado un alto costo energético. Las características intrínsecas de algunos de esos procesos inducen microestructuras demasiado gruesas para satisfacer las exigencias magnéticas y mecánicas de muchas de sus aplicaciones. Asimismo, esos lingotes presentan ciertas desventajas para los requerimientos modernos al ser difíciles de miniaturizar y al demandar una gran pérdida de material cuando son procesados (lo que en el punzado puede llegar al 60%).
En los últimos años, el rango de materiales magnéticos blandos disponibles se ha incrementado significativamente. Algunas aleaciones ferromagnéticas alcanzadas por procedimientos de solidificación ultrarrápida con velocidades de enfriamiento del orden del millón de grados por segundo pueden ser obtenidas en fase amorfa y presentan muy bajas coercitividades con altas resistencias eléctricas, mostrando por lo tanto significativas mejoras en lo que hace a pérdidas energéticas. Parte de éstas permiten incluso un desarrollo de sistemas a escala submicroscópica que incrementan esa performance. Ciertas aleaciones amorfas, bajo condiciones de tratamientos térmicos controlados, evolucionan hacia estructuras compuestas de granos cristalinos con dimensiones de 10-40 nanómetros, inmersas en una fase amorfa. Esta estructura genera propiedades magnéticas blandas superiores a las de sus predecesores amorfos, que pueden ser explicadas mediante el modelo de “anisotropía aleatoria”, ya que el pequeño tamaño de los granos conduce a una fuerte interacción a través de la matriz ferromagnética amorfa.
Las ventajas técnicas de estos sistemas van desde la simplificación de su fabricación en una sola etapa mediante un proceso de colada continua que produce chapas de espesores que rondan los 30-50 micrómetros, hasta sus sobresalientes propiedades magnéticas. Son los materiales ferromagnéticos más blandos y más eficientes que se conocen y se pueden emplear en una gran variedad de aplicaciones, como se señaló anteriormente.
Los transformadores de distribución y media potencia con núcleos de estos materiales presentan claras ventajas. Por ejemplo, permiten la amortización de dichos equipos en tres años contra los veinte años de un transformador tradicional de FeSi, ya que las pérdidas en vacío sufren una reducción del orden del 70% al 80%, con una disminución de las emisiones de CO2 mayores a ese valor (del orden del 80%).

Materiales magnéticos duros
(imanes permanentes)

Los imanes permanentes pueden ser de distinto tipo, según cuál sea su composición y proceso de fabricación. Tradicionalmente se han usado las ferritas (Fe alfa aleado con Co y Ba), los alnicos (aleaciones de Al, Ni y Co) y, últimamente, los compuestos que incluyen Tierras Raras: Samario-Cobalto (Sm-Co) y Neodimio-Hierro-Boro (Nd-Fe-B). Estos últimos, descubiertos en las décadas finales del siglo pasado, son los que presentan mayores perspectivas de crecimiento, con formas de fabricación muy variadas que van desde una simple fundición hasta procesos complejos donde se utilizan métodos de enfriamiento ultrarrápido sofisticados similares a los empleados en la producción de sistemas blandos, con posteriores recubrimientos anticorrosivos (galvanizado o niquelado).
Las aleaciones formadas por compuestos intermetálicos de Tierras Raras con Metales de Transición han permitido obtener magnetos con densidades de energía de alrededor de 400 kJ/m³ y campos coercitivos de 1000 kA/m, valores significativamente superiores a los que muestran sus equivalentes clásicos (alnicos): 40 kJ/m³ y 160 kA/m respectivamente. Algunos análisis teóricos señalan la posibilidad de alcanzar con estos sistemas densidades de energía de 1.000 kJ/m³.
Últimamente se han estado buscando rutas de producción que incluyen materiales nanoestructurados de NdFeB como alternativas orientadas a reducir costos de fabricación y a alcanzar mayores rendimientos. La propiedad magnética en la que han logrado las mejoras más sustantivas es el “producto de máxima energía”, que representa la densidad de energía disponible para su transformación en trabajo mecánico.
Entre 2000 y 2008, la tasa media de crecimiento anual del mercado mundial de imanes permanentes de Tierras Raras se mantuvo aproximadamente en un 25%. La demanda de estos imanes se redujo fuertemente en 2009 debido a la crisis financiera, pero como producto de la recuperación económica parcial ocurrida desde 2010 en adelante en algunos países, el consumo de los imanes de neodimio ha dado un vuelco rápido con perspectivas de un crecimiento continuo a largo plazo. En el futuro inmediato se espera una demanda cada vez mayor de este tipo de imanes, dados los requisitos crecientes de eficiencia energética y protección del medio ambiente.

Perspectivas

Los materiales magnéticos blandos destinados a la construcción de núcleos electromagnéticos de alta eficiencia y los sistemas magnéticos duros empleados en la elaboración de imanes de alto producto de energía son actualmente nichos de mercados muy prometedores. Las aplicaciones de estos nuevos productos han sido muy pocas en el primer caso y más extendidas en el segundo.
La limitada aplicación de los nuevos materiales magnéticos blandos hasta el momento obedece a varias causas. Una han sido los mayores costos debido al valor de algunos de los componentes de estos sistemas y a la necesidad de introducir nuevas tecnologías de fabricación en un mercado que estaba razonablemente cubierto por los materiales tradicionales. Otra, la casi nula demanda de productos más ecológicos. Hoy, esos costos casi se han nivelado y la imperiosa necesidad de reducir la contaminación ambiental ha modificado la situación de una forma que –todo indica– va a resultar irreversible. Así como en su momento los sistemas de Grano Orientado desplazaron a productos como la chapa doble decapada por su mejor eficiencia, actualmente los materiales amorfos y nanoestructurados van tomando partes del mercado de FeSi por la presión mundial hacia energías más eficientes.
Las posibilidades de empleo de aleaciones magnéticas duras de NdFeB son prácticamente inabarcables. La razón fundamental es que el notable incremento del producto de energía que poseen implica una considerable disminución de peso y tamaño para similares prestaciones de los dispositivos que los contienen. Por ello, una de las perspectivas más sólidas del empleo futuro de los materiales magnéticos duros se encuentra en los aerogeneradores de imanes permanentes. Esta clase de generadores no requiere una caja multiplicadora, lo que aumenta su vida útil y reduce los costos de mantenimiento. Se estima que la tasa de crecimiento de estos generadores superará el 50% en los próximos años. En nuestro país, según se establece a través de la Ley 26.190, las energías renovables deberán llegar al 8% en 2016.
En el caso de los imanes, la evolución de estas nuevas aplicaciones ha sido más homogénea, pero su producción está totalmente concentrada en algunos países del mundo desarrollado, particularmente en China. En la Argentina, la única empresa que producía imanes de composición y estructura tradicional, Renacity SA, dejó de fabricarlos en 2008 ante la caída de demanda de esos productos por la competencia de nuevos sistemas electrónicos.

Posibilidades

En el Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la UBA (INTECIN, CONICET-UBA) se ha completado un Proyecto Fonarsec financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT-MINCyT), que ha permitido instalar una Planta Piloto con capacidades de estudiar y producir estos materiales. Ésta cuenta con todas las técnicas necesarias para elaborar las aleaciones que se requieran, con el fin de caracterizarlas y ensayarlas, y fabricar materiales magnéticos a escala preindustrial. Asimismo, dicha Planta Piloto es parte integrante del INTECIN, por lo que se tiene acceso a las técnicas de caracterización estructural, magnética y mecánica necesarias que este último posee (difracción de RX, magnetómetros, microscopia óptica y electrónica, análisis térmicos –DSC y DTA–, ensayos mecánicos y ensayos de corrosión).
En esa escala preindustrial, es decir, con capacidades para producir estos sistemas en magnitudes que van de los gramos a la decena de kilogramos, se está tratando de surtir a varias empresas con estos nuevos materiales para emplearlos en los respectivos productos que en ellas se fabrican, con el fin de comenzar a introducirlos en el mercado nacional y regional. ℗

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Mail: vinculacion@conicet.gov.ar
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