materiales magnéticos duros
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Facultad de Ing UNMDPTRANSCRIPT
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MATERIALES MAGNTICOS
DUROS
Ing. Carlos A. Agero Facultad de Ingeniera
Univ. Nacional de Mar del plata [email protected]
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DEFINICIONES
PROPIEDADES MAGNTICAS
APLICACIONES
CMO SE EVALA LA CALIDAD?
CMO FUE EVOLUCIONANDO LA CALIDAD?
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CLASIFICACION DE LOS MATERIALES PARA
IMANES PERMACNENTES
MATERIALES MAGNETICOS DUROS
ALEACIONES MAGNETICAS
CERAMICOS MAGNETICOS
ALEACIONES DE Al-Ni-Co-Fe-Ti
ALEACIONES DE Ag-Co
ALEACIONES DE Co-Fe-V
ALEACIONES DE Cu-Ni-Fe
ALEACIONES DE TIERRAS RARAS
FERRITAS DURAS
ACEROS PARA IMANES
ALEACIONES Cu-Ni-Co
Aceros al carbono Aceros al tungsteno Aceros al cromo Aceros al cromo-cobalto Aceros al cobalto
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Bibliografa
DEFINICIONES PROP. GENERALES Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales. Mc Graw Hill William F.
Smith
Materiales Electrotcnicos Enciclopedia CEAC de la Electricidad Jos R. Vzquez
ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL - ACEROS PARA IMANES
PERMANENTES CEAC
COMPLEMENTARIO SERWAY Electricidad y Magnetismo 3 ED
Handbook of Magnetic Materials, Volume 4 E.P Wohlfarth and K.H.J. Buschow
Measurement and Characterization of Magnetic Materials - F. Fiorillo (Elsevier, 2004)
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Producto de energa mximo
para un material magntico.
La energa Potencial Magntica almacenada en un Mat. Magntico.
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Curvas de Producto de energa
Fig 11.25
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Cmo se calcula?
Mximo valor del producto de B x H
En la Curva de Desmagnetizacin (2 Cuadrante)
rea ocupada por el mayor rectngulo que puede inscribirse en el 2 Cuadrante del ciclo de histresis del material.
-H -Hc 0 (BH)MAX BH
B
Br
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Curvas de Desmagnetizacin
Fig 11.24
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Imn Ideal
Fig 136 CEAC
alta remanencia. Cuanto mayor es la remanencia mayor es el flujo magntico que puede crear un imn.
alta coercividad. Cuanto mayor es la coercividad es ms difcil que el imn se desmagnetice por acciones mecnicas o cambios de
temperatura.
alto producto (BH)max. Cuanto mayor es este valor,mayor es la energ. almacenada y se requerir menos material para producir un dado flujo
magntico en un circuito.
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Curvas de Producto de energa
Mtodo Prctico
Fig 137 CEAC
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Transforma la energa elctrica que le proveemos
en energa mecnica.
Transforma la energa mecnica que le
proveemos en energa
elctrica.
Aplicaciones
Motores-Generadores
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Instrumental de Medicin
Instrumentos de imn permanente-bobina
mvil (IPBM),
medidores de induccin
para la medicin de
energa o otras
variantes como son los
medidores de velocidad
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Parlantes y Micrfonos
Capaces de convertir una seal elctrica alterna en vibraciones fsicas
con el fin de crear un sonido, o
viceversa
Micrfono Diafragma recoge ondas de presin de las ondas sonoras
El movimiento coincide con la intensidad y frecuencia de la onda entrante
Movimiento de la bobina en el campo genera corriente elctrica
\videos\ Como funciona el microfono - Discovery MAX
Altavoz Corriente elctrica hace mover a la bobina que arrastra
diafragma \videos\ Como funciona el altavoz - Discovery MAX
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Sensores magnticos
Medicin sin contacto fsico
Direccin
Posicin
Rotacin
ngulo
- Dexter Magnetic Aplicaciones http://www.dextermag.com/products/magnetic-assemblies/sensors
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Acoples Mecnicos
Magnticos
Son utilizados para transmitir rotacin y/o movimiento lineal sin contacto
directo
Rotatorios
Lineales
Por Histresis
Por Corrientes de Foucault
http://www.dextermag.com/products/magnetic-assemblies/magnetic-couplings
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Punto de trabajo de un iman
ImanesPermanentes.pdf INTI-Crdoba Ing. Roberto L. Muoz
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Analoga elctrica de un circuito magntico
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ACEROS MAGNETICOS
Los materiales para imanes permanentes clasificados
como aceros, se adquieren
generalmente del fabricante de
aceros como productos
semiterminados y deben
recibir la forma definitiva y se
tratados trmicamente e
imanados por el comprador,
para dar al imn la forma
deseada.
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Aceros para Imanes
Forma
Forjado, estampado, mecanizado
Recocido
Templado
Imanacin
Envejecimiento artificial
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ENVEJECIMIENTO
(de un material magntico)
Prdida de propiedades magnticas con el tiempo
Mxima en las primeras horas decrece con el tiempo
ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL
Estabilizan propiedades Calentamientos sucesivos en
AIRE
AGUA HIRVIENDO
ACEITES
Choques sucesivos
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Temple por Enfriamiento y por
Dispersin
Temple por Enfriamiento Transformaciones de un sistema cristalino a otro
durante el enfriamiento.
Inclusin de ciertos cuerpos en la aleacin.(tungsteno, cromo, cobalto)
Solucin de cuerpo precipitado en la aleacin
Gran influencia de temperatura impide mecanizado o soldadura.
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Temple por Enfriamiento y por
Dispersin
Temple por Dispersin Temple
Recalentamiento hasta temp. de cristalizacin.
Revenido recocer el acero a temperatura inferior a la del temple para mejorarlo
Son mas estables
Se utilizan principalmente en aleaciones especiales: Al-Ni-Co, Cu-Ni-Fe
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ACEROS MAGNETICOS
Los aceros para imanes permanentes se clasifican
de acuerdo a su aleacin
en:
Aceros al carbono
Aceros al tungsteno
Aceros al cromo
Aceros al cromo-cobalto
Aceros al cobalto
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Aceros al Carbono
Pequeos imanes 0,6 a 1% carbono
0,3 a 0,8 % manganeso
Forjado a 900C Recocido a 700C enfriado en aire Temple a 800C enfriado en agua. Imanacin Tratamiento de envejecimiento en agua
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Aceros al Tungsteno
Mejores prop. Magnticas Conservan prop ante calentamiento, choque, etc.
0,6 a 1% carbono
4 a 6 % W (tungsteno)
0,5 % Mn (manganeso)
2 % Cr (cromo)
Forjado a 1000C Recocido a 750C enfriado en aire Temple a 800C enfriado en agua o aceite. Imanacin Tratamiento de envejecimiento en agua
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Aceros al Cromo
Prop. Magnticas Similares a aceros al tungsteno MAS BARATOS Conservan prop ante calentamiento, choque, etc.
0,6 a 1% carbono
1 a 6 % Cr (cromo)
0,5 % Mn (manganeso)
Forjado a 900C Recocido a 700C enfriado en aire Temple a 800C enfriado en agua o aceite. Imanacin Tratamiento de envejecimiento en agua
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Aceros al Cobalto
Prop. Magnticas superiores Mecanizables en caliente Mas costosos Conservan prop en presencia de campos alternos
36 % Co
6 % Cr
4 % w
Forjado a 950C Recocido a 780C enfriado en horno Temple a 975C enfriado en aire o aceite. Imanacin Tratamiento de envejecimiento en agua
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Aceros al Cromo-Cobalto
Prop. Magnticas superiores Mecanizables Mas econmicos que Aceros al cobalto
10 a 16% Co
9 % Cr
Forjado a 1000C Recocido a 900C enfriado en aire Temple a 1100C enfriado en agua o aceite. Imanacin Tratamiento de envejecimiento en aire
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Aceros para Imanes
Tabla 77
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ALNICO
Ni
Fe Fe Fe Fe Fe Fe
Ni
Ni Ni
Ni Ni
Co
Co
Co
Co
Co
1 alnico.pdf
2 cast alnico.pdf
3 sintered alnico.pdf
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ALNICO How_Its_Made_magnets.mpg
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ALEACIONES MAGNETICAS
ALEACIONES DE Cu-Ni-Fe
Las ms conocidas de estas aleaciones son las denominadas
CUNIFE
Adems de sus propiedades magnticas , se caracterizan por su ductilidad, lo que pueden trabajarse mecnicamente y laminarse en espesores muy finos
Las aplicaciones ms importantes de estos materiales es en la fabricacin de hilos y cintas magnetofnicas
Las caractersticas magnticas para este tipo de materiales son las siguientes:
Hc = 600 Oe Br = 0.58 kG B.H = 1.96 106
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ALEACIONES MAGNETICAS
ALEACIONES DE Cu-Ni-Co
Las ms conocidas de estas aleaciones son las denominadas CUNICO
Con composiciones que varan entre 25 % a 50 % de Co, 20 % a 26 % de Ni y 25 % a 60 % de Cu
Se pueden mecanizar fcilmente, por lo que tienen un campo de aplicacin semejante las anteriores
Las caractersticas magnticas para el Cunico 2 son las siguientes:
Hc = 450 Oe
Br = 5.3 kG
B.H = 0.99 106
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ALEACIONES MAGNETICAS
ALEACIONES DE Fe-Co-V
Las ms conocidas de estas aleaciones son las denominadas
VICALLOY
La constitucin del material base es : 34 % de Fe, 52 % de Co y 14 % de Vanadio
Estas aleaciones son dctiles y maleables y algunas de ellas tienen caractersticas muy direccionales
Las caractersticas magnticas para este tipo de materiales son las siguientes:
Hc = 400 Oe
Br = 9.6 kG B.H = 2.5 106
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ALEACIONES MAGNETICAS
ALEACIONES CON METALES PRECIOSOS
Muy altas Hc
La mas conocidas de estas aleaciones es el SILMANAL
Constituido por 86 % de plata, 9 % de manganeso y 5 % de aluminio
Las caractersticas magnticas para este tipo de materiales son las siguientes:
Hc = 670 Oe
Br = 0.595 kG
B.H = 1.48 106
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Aleaciones Magnticas Fe-Cr-Co
Propiedades similares al Alnico pero
Maleables.
Se pueden trabajar en fro (temp ambiente)
Muy estables con la temp.
Telefona, Auriculares
Elementos que requieran ajustes en forma.
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FERRITAS DURAS
Las ferritas magnticas se han ganado una gran aceptacin
debido a tener una alta
resistencia a la
desmagnetizacin, excelente
resistencia a la corrosin, baja
densidad y bajo precio por
peso.
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FERRITAS
Oxido de Hierro con otros Oxidos y carbonatos Sinterizacin en forma de polvo muy fino
1 micra para que cada grano constituya un dipolo.
Muy econmico R alta. USOS
Alta Frecuencia Estatores de Micromotores CC Rotores de Micromotores CA Acoplamientos magnticos Altavoces
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In divalente con Fe2O3 BLANDOS Mn 2+
Ni 2+ con 6 Fe2O3 DUROS Zn 2+
BaO 6 Fe2O3
SrO 6 Fe2O3
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FERRITAS DURAS
Las ferritas son materiales magnticos que se forman a partir de xido de hierro (Fe2O3) con otros xidos y carbonatos en forma de polvo 1[m] .
Estos polvos son prensados y sinterizados a elevadas temperaturas.
En algunos casos en presencia de un campo magntico (orientado).
Existen dos tipos de ferritas en cuanto a su composicin qumica:
Ferrita de bario (BaO-6Fe2O3)
Ferrita de estroncio (SrO-6Fe2O3)
En los ltimos aos las ferritas de bario han sido reemplazadas en su mayora por las ferritas de estroncio, ya que estas tienen unas propiedades magnticas superiores.
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Ventajas de usar Ferrita:
Bajo coste de produccin.
Puede trabajar en temperaturas extremas (-40C a +250C).
Fcil magnetizacin en distintas orientaciones.
Desventajas:
Baja induccin.
Dificultad de mecanizado.
APLICACIONES
Motores
Altavoces.
Cierres magnticos.
Seguridad.
Juguetera.
90% prod. mundial de imanes (en peso)
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Ferritas Blandas
Son Aislantes.
Tienen una gran resistencia elctrica.
Aplicaciones:
Sistemas de baja Seal y alta frecuencia, ncleos de memoria, aparatos audiovisuales, cabezas de grabacin.
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Algunas aplicaciones de ferritas blandas. : permeabilidad del material magntico T: temperatura t : tiempo
B: induccin magntica ac: corriente alterna dc: corriente contnua
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COMPARACION DE MATERIALES MAGNETICOS
En los siguientes grficos de barras se comparan algunos de los materiales magnticos de acuerdo a su producto de energa externa
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
En
erg
a e
xte
rna
BH
(M
GO
e)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tipo de material
Valores mximos de Energa externa
1-Acero al cobalto
2-Acero al Cr-Co
3-Acero al
tungsteno
4-Acero al cromo
5-Acero al carbono
6-Alnico 5
7-Alnico 12
8-Alnico 2
9-Alnico 4
10-Alnico 6
11-Cunife 1
12-Cunico 1
13-Silmanal
14-Ferrita de Ba
(no orientado)
15-Ferrita de Ba
(orientado)
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COMPARACION DE MATERIALES MAGNETICOS
Continuacin
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Energa Externa BH
(MGOe)
1 2 3 4
Tipo de material
Valores mximos de Energa Externa
1-Alnico 5
2-Tierras raras (SmCo5 fase
nica)
3-Tierras raras (SmCo5
endurecidos por precipitacin)
4-Nd-Fe-B
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ALEACIONES TIERRAS RARAS
Aleaciones de Samario-Cobalto
(Sm-Co)
Estos materiales fueron
introducidos al mercado a partir
de 1970, y son de gran
produccin hoy en da debido a la
combinacin de tener altas
propiedades magnticas junto con
una alta estabilidad trmica y
excelente resistencia a la
corrosin
Estos materiales son producidos por tcnicas de metalurgia de
polvos
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ALEACIONES TIERRAS RARAS
ALEACIONES DE NEODIMIO-HIERRO-
BORO
Los materiales magnticos de Nd-Fe-B fueron
comercialmente disponibles
desde Noviembre de 1984.
Ellos ofrecen el mas alto producto de energa disponible
hoy en da, del orden de 398
kJ/m3 (50 MGOe) y estn
disponibles en un gran rango
de formas, tamaos y grados.
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ALEACIONES DE SmCo
Hay dos grupos principales de materiales magnticos basados en tierras raras: unos basados en una fase nica de SmCo5 , y otros basados en aleaciones endurecidas por precipitacin Sm (Co, Cu)7,5.
Materiales magnticos de fase nica SmCo5 : B.H = 140 kJ/m3 (18 MG.Oe)
Materiales magnticos endurecidos por precipitacin
B.H =240 kJ/m3 (30 MG.Oe)
Temperatura mxima de uso:
Aunque la temperatura de Curie para materiales SmCo se encuentra entre 700 a 800 oC, las aleaciones ms generales solo pueden usarse hasta un mximo de temperatura entre 250 a 350 C.
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ALEACIONES DE SmCo
Las ventajas de usar SmCo:
Puede trabajar a temperaturas elevadas (+250 C)
Es mas resistente a la oxidacin que el NdFeB
Desventajas:
Es un material costoso y mas quebradizo que el NdFeB
Aplicaciones:
Las caractersticas de este material hacen que SmCo sea un material ideal para aplicaciones como servos motores, sensores,
dispositivos mdicos tales como motores ligeros en bombas
implantables y vlvula y en todo lugar donde el magnetismo es
requerido para operar a altas temperaturas, con un alto rango de
variacin de la temperatura o en medios corrosivo.
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ALEACIONES DE NEODIMIO-HIERRO-BORO
Estos materiales son producidos por tcnicas de metalurgia de polvos y
tambin formados en cintas de hilado fundido de solidificacin rpida
Este tipo de materiales tienen algunas limitaciones en cuanto al su comportamiento en medios corrosivos.
En aplicaciones hmedas, una proteccin es altamente recomendada. Dentro de los recubrimientos que satisfactoriamente se usan podemos citar: Recubrimiento por inmersin en lquido epoxy, Secado electrosttico por rociado epoxy, Recubrimiento de nquel O combinacin de los distintos tipos de recubrimientos.
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ALEACIONES DE NEODIMIO-HIERRO-BORO
Ventajas de usar NdFeB: Sus altos valores magnticos permiten que se puedan realizar
medidas muy reducidas con una extraordinaria potencia.
Adecuados para utilizarlos a temperatura ambiente.
Desventajas No puede trabajar a altas temperaturas (200C) Es muy propenso a la oxidacin.
APLICACIONES Primeramente el uso de estos materiales fue en motores elctricos
en discos rgidos. Otras aplicaciones son, en la de motores elctricos de alto desarrollo, motores elctricos para lectoras de CD, separaciones magnticas, imgenes de resonancia magntica, sensores y parlantes.
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CLASIFICACION DE LOS MATERIALES PARA
IMANES PERMACNENTES
MATERIALES MAGNETICOS DUROS
ALEACIONES MAGNETICAS
CERAMICOS MAGNETICOS
ALEACIONES DE Al-Ni-Co-Fe-Ti
ALEACIONES DE Ag-Co
ALEACIONES DE Co-Fe-V
ALEACIONES DE Cu-Ni-Fe
ALEACIONES DE TIERRAS RARAS
FERRITAS DURAS
ACEROS PARA IMANES
ALEACIONES Cu-Ni-Co
Aceros al carbono Aceros al tungsteno Aceros al cromo Aceros al cromo-cobalto Aceros al cobalto