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Magneti Samario Cobalto

L'abbreviazione SmCo sta per una lega di samario e cobalto. L'elemento argenteo samario fu scoperto dal mineralogista tedesco Heinrich Rose, che a sua volta lo chiamò in onore dell'ingegnere minerario russo Wassili Samarski-Bykhovets. Il metallo è una delle terre rare e fino ad oggi viene estratto solo in Cina.

Il cobalto appartiene alla categoria degli elementi dei metalli di transizione, più precisamente è un metallo di transizione ferromagnetico con una temperatura di Curie di 1150° C. Il metallo pesante grigio acciaio, estremamente tenace, è adatto come buon conduttore per calore e elettricità.

I magneti svolgono un ruolo indispensabile in molti settori dell'economia. Questo vale sia per il magnetismo causato dalla corrente elettrica negli elettromagneti sia per il magnetismo permanente nei magneti permanenti. Importanti materiali di base per la produzione di magneti permanenti sono tra l'altro le leghe di samario-cobalto: Le leghe SmCo5 senza contenuto di ferro, sviluppate nel 1966, e la lega Sm2Co17, sviluppata nel 1972 con circa il 20-25 percento contenuto di ferro, vengono utilizzati a tale scopo. Fino agli anni '70 la lega di samario e cobalto rappresentava il materiale con la più alta densità di energia magnetica conosciuta.

Nozioni di base sul magnetismo

In generale, i campi magnetici sono indotti dal movimento di particelle cariche elettricamente. Pertanto, ogni volta che la corrente scorre in un conduttore elettrico (metalli come rame, alluminio e altri), si crea un campo magnetico. Ma anche le particelle rotanti elettricamente cariche (particelle con spin), come gli elettroni, generano un momento magnetico e rappresentano quindi un piccolo magnete. Poiché tutti gli elettroni hanno un cosiddetto spin, si può presumere che tutta la materia sia dotata di determinate proprietà magnetiche sia . Nella maggior parte dei casi, tuttavia, i momenti magnetici si annullano in modo tale che il materiale appare non magnetico all'esterno. Se esposto a un campo magnetico esterno, tuttavia, le proprietà magnetiche di qualsiasi sostanza vengono modificate. A seconda del comportamento sotto l'influenza di un forte campo magnetico esterno, si distingue tra materiali diamagnetici, paramagnetici, ferromagnetici, antiferromagnetici e ferrimagnetici. In linea di principio, tutte le sostanze sono inizialmente diamagnetiche, poiché contengono tutte elettroni accoppiati con spin opposti senza eccezioni. Quando esposto a un campo magnetico esterno, nel materiale si forma un debole campo opposto, che lo spinge fuori dal campo esterno. Tuttavia, l'effetto è così piccolo che di solito non viene nemmeno notato. Se sono presenti anche elettroni spaiati, sono allineati da un campo magnetico esterno, che di solito si traduce in una magnetizzazione instabile (paramagnetismo) che attira leggermente il materiale nel campo magnetico. Dopo aver rimosso o spento il campo magnetico esterno, il campo magnetico generato collassa nuovamente. Anche il paramagnetismo è solitamente così debole che non può essere osservato affatto senza aiuti tecnici. Tuttavia, quando lo stesso allineamento di spin di elettroni spaiati può essere stabilizzato, si parla di ferromagnetismo. Questi materiali sono poi adatti alla produzione di magneti permanenti.

Magneti permanenti

La base per la produzione di magneti permanenti sono materiali con proprietà ferromagnetiche. Si tratta di sostanze che hanno elettroni spaiati con spin parallelo nei loro atomi per ragioni quantomeccaniche e possono quindi formare il proprio campo magnetico. Per effetto di un campo magnetico esterno, le aree con lo stesso spin dell'elettrone si allineano e generano così un campo magnetico permanente. Questi materiali includono i metalli ferro, cobalto, nichel, alcuni lantanidi e alcune leghe come samario-cobalto, AlNiCo, neodimio o ferrite.

Le proprietà dei materiali ferromagnetici

I materiali ferromagnetici contengono all'interno i cosiddetti magneti elementari, che sono generati da elettroni raddrizzati spaiati con spin parallelo. Un campo magnetico esterno allinea solo questi magneti elementari e quindi magnetizza il materiale, per cui la sua intensità del campo magnetico è indipendente dal campo esterno. Durante la magnetizzazione di materiali ferromagnetici, complicati processi fisici quantistici provocano le cosiddette interazioni di scambio tra gli elettroni allineati, che stabilizzano l'allineamento e quindi creano un campo magnetico stabile. Nel processo, l'energia magnetica viene fornita al materiale, la cui misura è indicata come prodotto energetico. Tuttavia, i materiali magnetici morbidi perdono la loro magnetizzazione immediatamente dopo la rimozione del campo magnetico esterno. Nel caso di materiali ferromagnetici rimane una magnetizzazione residua (Rimanenza). La forza della rimanenza ora determina la stabilità del campo magnetico generato. Con alcuni materiali, può essere così grande da creare un magnete permanente con un forte campo magnetico. Il campo magnetico può quindi essere ridotto solo mediante riscaldamento (Temperatura di Curie) o trattamento meccanico del materiale e applicando un forte campo opposto esterno (campo coercitivo). La sfida nello sviluppo di magneti permanenti è trovare materiali in grado di creare un forte campo magnetico in grado di resistere a temperature elevate, forti sollecitazioni meccaniche e forti campi magnetici esterni. Le leghe di SmCo, neodimio, ferrite e AlNiCo si sono dimostrate particolarmente efficaci in questo caso.

Le proprietà delle leghe di samario e cobalto

Entrambe le leghe possono sviluppare una densità di energia magnetica molto elevata, che può raggiungere da 130 a 200 kJ/m3 per SmCo5 e da 160 a 260 kJ/m3 per Sm2Co17. Il loro prodotto energetico è quindi molto alto. Inoltre, il suo campo magnetico è estremamente stabile e insensibile alle influenze esterne. Le leghe samario-cobalto sono difficili da smagnetizzare. La temperatura di Curie è di 450 gradi. Al di sopra di questa temperatura la magnetizzazione scompare. Il magnete può essere utilizzato fino a circa 350 gradi senza alcuna perdita di campo magnetico. Il coefficiente di temperatura della densità di flusso rimanente è molto basso e si trova tra 0,03 e 0,04 percento per grado Celsius. Ciò significa che il campo magnetico diminuisce solo leggermente per grado di aumento della temperatura. Inoltre, l'intensità del campo coercitivo è estremamente elevata e talvolta supera di gran lunga altri magneti permanenti. Le leghe samario-cobalto hanno anche il vantaggio di essere molto resistenti alla corrosione. Tuttavia, sono attaccati da acidi inorganici e alcali.

La produzione di magneti in samario e cobalto

I materiali di partenza samario e cobalto vengono fusi in un'atmosfera di gas inerte di argon e fusi sotto forma di lingotti perché reagirebbero con l'ossigeno presente nell'aria. Varie aggiunte di lega nel fuso ne migliorano le proprietà termiche. Durante la solidificazione del fuso si creano strutture cristalline che impediscono la stabilizzazione del campo magnetico. La lega risultante può essere facilmente smagnetizzata e non è adatta come materiale magnetico. È quindi necessaria un'ulteriore elaborazione. La lega ottenuta viene quindi prima nuovamente polverizzata sotto gas protettivo e la polvere viene sottoposta a un processo di sinterizzazione a temperature comprese tra 1150 e 1250 gradi. Le singole particelle di polvere cuociono insieme. È possibile anche la pressatura con plastica. La magnetizzazione deve avvenire in parallelo durante questo processo. Il materiale viene portato nella forma iniziale desiderata. La successiva lavorazione dei materiali magnetizzati sinterizzati non è più possibile perché gli utensili ferromagnetici possono essere magnetizzati e gli eventuali trucioli che si formano non possono più essere facilmente separati dal corpo di base mediante magnetizzazione. Inoltre, il materiale può scheggiarsi e la polvere finemente suddivisa può incendiarsi spontaneamente. La post-elaborazione della polvere di cobalto samario pressata nella plastica è più semplice, ma i magneti che ne derivano hanno proprietà inferiori rispetto ai materiali magnetici sinterizzati. Poiché gli elementi utilizzati sono rari sulla terra, il prezzo dei potenti magneti SmCo è relativamente alto. Devi anche stare attento con loro, poiché questo materiale fragile si sfalda in tempi relativamente brevi. Inoltre, esiste un processo di produzione relativamente complesso.

L'utilizzo dei magneti permanenti

I magneti permanenti, che includono anche le leghe di samario con cobalto, trovano una varietà di applicazioni nella vita di tutti i giorni, ad es. B. nei sistemi di chiusura, nei frigoriferi, per fissare oggetti e molto altro.

Tuttavia, sono di particolare importanza nella produzione di energia e nella conversione dell'energia. La generazione di elettricità sfrutta il fatto che un campo magnetico variabile mette in movimento particelle elettriche in movimento, come gli elettroni. È irrilevante se il campo magnetico cambia in termini reali o se sembra cambiare a causa del movimento relativo rispetto a un conduttore elettrico. Nei generatori, ad esempio, il rotore è costituito da magneti permanenti rotanti, i cui campi magnetici generano una corrente elettrica nelle spire statiche (statore) di un conduttore di corrente in filo (filo di rame o rame argentato). Viceversa, i magneti permanenti possono essere utilizzati anche nei motori elettrici per convertire l'energia elettrica in energia meccanica.

I principali ambiti di applicazione di SmCo

I magneti realizzati con leghe di samario-cobalto vengono utilizzati laddove sono richiesti campi magnetici molto forti in condizioni estreme (temperature nell'intervallo di temperatura da -40 a 350 gradi). Le principali aree di applicazione sono tra le altre:

• Generatori
• Motori
• Sensori
• numerosi dispositivi di misurazione

Il samario cobalto viene utilizzato principalmente per vari magneti permanenti. Per l'applicazione possono essere utilizzate due strutture cristalline: SmCo5 o Sm2Co17 (con ferro, rame o zirconio come elementi di lega aggiuntivi) Le due forme della lega sono state sviluppate rispettivamente nel 1966 e nel 1972 e sono state i materiali fino alla scoperta del neodimio-ferro- boro nel 1982 con la più alta densità di energia magnetica conosciuta. A causa delle loro proprietà, i magneti permanenti in SmCo sono difficili da smagnetizzare e mantengono le loro forze magnetiche fino a una temperatura di esercizio di 450° C. Poiché il coefficiente di temperatura residua è molto basso, il campo magnetico perde solo una piccola parte del suo effetto per grado di aumento della temperatura. Inoltre, grazie alla loro elevata coercitività, sono estremamente resistenti ai campi di smagnetizzazione e hanno un'enorme resistenza alla corrosione. Ancora oggi la lega Sm2Co17 è utilizzata prevalentemente per i magneti permanenti perché più economica per il minor utilizzo di samario. Tuttavia, speciali aree di applicazione rendono necessario l'uso di SmCo5, soprattutto quando sono richieste intensità di campo magnetico molto elevate.

Confronto di altri tipi di magneti con magneti in samario-cobalto

Come altri magneti permanenti, i magneti in samario-cobalto hanno un'elevata densità di energia, una buona resistenza alla temperatura e un'elevata coercitività. Tuttavia, ci sono alcune differenze, alcune delle quali possono essere vantaggiose e altre svantaggiose.

Confronto con i magneti al neodimio

I magneti al neodimio sono realizzati con una lega di neodimio, ferro e boro, materiale utilizzato dagli anni '70. La sua densità energetica è significativamente superiore a quella del samario cobalto. Tuttavia, il magnete al neodimio può essere utilizzato solo fino a temperature di 80 gradi. Inoltre, è più suscettibile alla corrosione rispetto al magnete samario-cobalto. Sebbene alcune aggiunte alla lega possano aumentare la temperatura e la resistenza alla corrosione, non si avvicinano ai valori della lega samario-cobalto. Per questo motivo, i magneti al neodimio devono ancora essere sostituiti da magneti in samario-cobalto in applicazioni in condizioni estreme.

Confronto con i magneti in ferrite

I magneti in ferrite sono realizzati in ossido di ferro e carbonato di bario o stronzio. Il materiale risultante è simile alla ceramica. I magneti in ferrite sono molto popolari in tutto il mondo perché sono economici e allo stesso tempo molto resistenti alla corrosione. Inoltre, possono essere utilizzati in un intervallo di temperatura da -40 gradi a 250 gradi. Tuttavia, se sono necessarie intensità di campo magnetico molto elevate, è necessario utilizzare nuovamente i magneti al neodimio o samario-cobalto.

Confronto con i magneti AlNiCo

I magneti AlNiCo sono realizzati con una lega di alluminio, cobalto e nichel. Possono essere utilizzati fino a 550 gradi, sono molto resistenti alla corrosione e hanno un'elevata rimanenza. Tuttavia, i magneti AlNiCo hanno una coercitività molto bassa e possono quindi essere facilmente smagnetizzati da campi magnetici esterni. È già stato sostituito dai magneti in ferrite in molti campi di applicazione. Tuttavia, se sono necessarie elevate intensità di campo in combinazione con alte temperature, l'uso di magneti in samario-cobalto ha dimostrato la sua validità.

Conclusione

I magneti SmCo hanno un'elevata densità di energia magnetica, possono essere utilizzati ad alte temperature fino a 350 gradi, sono difficilmente influenzati dai campi magnetici esterni e sono anche molto resistenti alla corrosione. Tuttavia, la loro produzione è molto costosa perché il samario è uno degli elementi rari. Il loro utilizzo si è dimostrato particolarmente efficace in aree in cui sono richieste elevate intensità di campo magnetico ad alte temperature. Ciò vale, tra l'altro, per generatori, motori, sensori e dispositivi di misurazione.

Caratteristiche magnetiche dei magneti in samario-cobalto