Magneti in Samario Cobalto (SmCo)

I magneti e le calamite hanno un ruolo essenziale in molti settori dell'economia. Ciò vale sia per l’elettromagnetismo e per il magnetismo permanente dei magneti. La lega di samario e cobalto é molto importante per la produzione dei magneti permanenti. La lega metallica SmCo5, sviluppata nel 1966, non contiene affatto ferro, al contrario della lega Sm2Co17, la quale conteneva una percentuale di ferro tra il 20-25%. Fino alla fine degli anni ’70 la lega di samario e cobalto era la lega con la più alta densità di flusso magnetico conosciuta.

In generale i campi magnetici sono spostamenti di particelle cariche elettricamente. Pertanto, ogni volta che il flusso di corrente attraversa un conduttore elettrico (ad esempio metalli quali rame, alluminio, ecc.). Anche particelle cariche elettricamente (particelle con spin), come gli elettroni, hanno una frazione in cui sono magnetici e rappresentano quindi una piccolo calamite. Poiché tutti gli elettroni sono delle particelle con spin si può dedurre che tutta la materia ha delle proprietà magnetiche. Nella maggior parte dei casi questi momenti magnetici si annullano dopo un breve periodo di tempo in modo da risultare non magnetici all’esterno. Dopo l'esposizione ad un campo magnetico la materia subisce un cambiamento. A seconda del comportamento sotto l'influenza di un campo magnetico esterno i materiali vengono distinti in questo modo: diamagnetici, paramagnetici, ferromagnetici, antiferromagnetici e materiali ferrimagnetici. In realtà, tutti i materiali sono inizialmente diamagnetici perché contengono tutti gli elettroni invariabilmente associati con spin opposto. Con l’azione di un campo magnetico esterno all’interno della materia viene a formarsi un campo magnetico più debole. Questo fenomeno è così minimo che di solito non viene registrato. Sono vi sono elettroni spaiati, essi sono magnetizzati da un campo magnetico esterno, che di solito si traduce in una magnetizzazione instabile (paramagnetismo), il quale magnetizza la materia a suo favore. Dopo aver rimosso il campo magnetico l’effetto viene fermato. Anche il paramagnetismo di solito è così debole che non può essere osservato senza ausili tecnici. Tuttavia, se il magnetismo mantiene lo stesso orientamento di spin di elettroni disaccoppiati in modo stabile, viene chiamato ferromagnetismo. I materiali con queste caratteristiche sono quindi adatti per la produzione di magneti permanenti.

I materiali con proprietà ferromagnetiche sono la base principale per la produzione di magneti permanenti. Si tratta di sostanze che a causa della meccanica quantistica possiedono elettroni spaiati con spin parallelo nei loro atomi e possono quindi formare un proprio campo magnetico. Grazie all'azione di un campo magnetico esterno i distretti con lo stesso spin di elettroni si vanno ad allineare e creano un campo magnetico permanente. Tali materiali includono il ferro, il cobalto, il nichel, e alcuni lantanoidi come samario cobalto, alnico, neodimio o ferrite.

I materiali ferromagnetici contengono al loro interno cosiddetti magneti molecolari, generati da elettroni spaiati con spin parallelo. Un campo magnetico esterno fa cambiare solamente la direzione di questi magneti elementari e quindi magnetizza il materiale, l’intensità del campo è indipendente dal campo magnetico esterno. Il magnetismo dei materiali ferromagnetici è un fenomeno dovuto a processi fisico-quantistici complicati che comprendono uno scambio degli elettroni che in questo modo rendono la magnetizzazione stabile e la direzione della magnetizzazione stessa. Durante questo processo viene aggiunta energia al materiale, la quale massa viene definita prodotto energetico. Appena il campo magnetico esterno viene a mancare questo fenomeno smette di esistere. Rimane però un residuo che viene chiamato rimanenza. La forza coercitiva invece determina la stabilità del campo magnetico. Il campo magnetico può essere distrutto utilizzando temperature elevate (temperatura di Curie) o tramite trattamento meccanico del materiale, nonché mediante l’utilizzo di un forte campo magnetico esterno. La sfida nello sviluppo di magneti permanenti è trovare materiali che possano creare un campo magnetico forte e che resista ad alte temperature e a forti sollecitazioni meccaniche.  Le leghe magnetiche che hanno buone caratteristiche sono quelle in AlNiCo, SmCo, NdFeB e ferrite.

Vi sono due tipi di leghe che possono raggiungere un altissima densità di energia magnetica di 130-200 kJ/m3 per la lega SmCo5 e di 160-260 kJ/m3 per Sm2Co17. Il prodotto energito è quindi molto elevato. Inoltre, il loro campo è estremamente stabile e resistente alle influenze esterne. Le leghe di cobalto-samario sono difficili da smagnetizzare. La temperatura di Curie è di 450 gradi Celsius. Sopra questa temperatura, la magnetizzazione scompare. Il magnete può essere facilmente utilizzato ad una temperatura di circa 350 gradi senza perdite di campo magnetico. Il coefficiente di temperatura della densità di flusso residua è molto bassa ed è compresa tra 0.03 0.04% per grado centigrado. Ciò significa che il campo magnetico, con un aumento di temperatura, diminuisce solo leggermente. Inoltre, la forza coercitiva è estremamente elevata e supera alcuni altri magneti permanenti. Leghe di samario-cobalto hanno il vantaggio di essere altamente resistenti alla corrosione. Tuttavia, vengono attaccati da acidi inorganici e alcalini.

Il samario e il cobalto vengono fusi in atmosfera di gas inerte di argon e versato in forma di lingotti, perché reagirebbero all’ossigeno presente nell’aria. Varie aggiunte di altri materiali vanno a migliorare le proprietà termiche. Durante la solidificazione del fuso vengono a formarsi delle strutture cristalline che impediscono la stabilizzazione del campo magnetico. La lega ottenuta è facilmente smagnetizzabile e non è adatta come materiale magnetico. Pertanto, è necessaria ulteriore lavorazione. I lingotti ottenuti vengono polverizzati sotto un gas inerte e sottoposti a temperature di 1150-1250°C per il processo di sinterizzazione. Le singole particelle di polvere vengono così “cotte” insieme. Durante questo processo deve essere effettuata in parallelo la vera e propria magnetizzazione. Dopo questo processo non è più possibile lavorare i magneti. Il materiale potrebbe scheggiarsi e eventualmente infiammarsi.

I magneti permanenti, compresi quelli in samario e cobalto, hanno molti usi nella vita quotidiana, per esempio: nei sistemi di chiusura, sui frigoriferi, per il fissaggio di oggetti e molto altro ancora. Tuttavia, una particolare importanza ce l’hanno nella conversione e nella produzione di energia.
Nei generatori ad esempio il rotore è composto da tanti magneti che generano elettricità. Inoltre i magneti permanenti possono essere utilizzati anche in motori elettrici per la conversione di energia elettrica in energia meccanica.

Le calamite in samario-cobalto sono utilizzati in applicazioni per le quali sono necessari campi magnetici molto forti in condizioni estreme (temperature da -40 a 350 gradi di temperatura) gamma.

Le aree di applicazione principali includono:

 - Generatori

- Motori

- Sensori

- Diversi indicatori

Oggi per la maggior parte ancora la Sm2Co17 lega utilizzata per magneti permanenti perché è meno costoso a causa delle minori Samariumeinsatzes. Applicazioni specifiche fanno uso di SmCo5 ma necessario, soprattutto quando è necessario molto forti punti di forza del campo magnetico.

Magneti Samario cobalto hanno come altri magneti permanenti, una alta densità di energia, resistenza alle alte temperature e forze coercitive elevate. Tuttavia, ci sono alcune differenze che possono risultare vantaggiose o svantaggiose a seconda dell’utilizzo previsto.

I componenti di queste calamite sono il neodimio, il ferro e il boro. Questa combinazione di metalli è stato utilizzato a partire dal 1970. La densità di energia è notevolmente superiore a quella del samario-cobalto. Tuttavia, il magnete al neodimio può essere utilizzato solo a temperature fino a 80 gradi Celsius. Inoltre, è meno resistente ad altri magneti nonostante con alcune aggiunte alla lega si è riuscito ad aumentare la resistenza alla temperatura e alla corrosione, ma i valori non si avvicinano ai valori delle calamite in SmCo.

I magneti in ferrite sono composti da una lega di ossido di ferro e di bario o stronzio e ha una consistenza simile alla ceramica. I magneti in ferrite sono in uso in tutto il mondo molto popolare perché sono economici e al tempo stesso altamente resistente alla corrosione. Inoltre, essi possono essere esposti a temperature comprese tra -40 gradi fino a 250 gradi Celsius. Questi magneti però non soddisfano i criteri nel caso si cerchino calamite con un campo magnetico più forte. In questo caso è consigliabile utilizzare calamite in neodimio o in samario-cobalto.

Le calamite in AlNiCo sono fatti di una lega in alluminio, cobalto e nichel. Possono essere usati fino a 550 gradi Celsius, sono altamente resistenti alla corrosione e presentano alta ritenzione. Tuttavia, hanno una bassa coercività e possono quindi essere facilmente smagnetizzati da campi magnetici esterni. In molte applicazioni è stato già sostituito dai magneti in ferrite o per utilizzi a temperature più elevate dai magneti in samario-cobalto.

I magneti in SmCo hanno un'elevata densità di energia magnetica, possono essere utilizzati a temperature fino a 350 gradi Celsius, sono resistenti a campi magnetici esterni, e sono anche altamente resistenti alla corrosione. La loro produzione risulta più costosa rispetto ad altre calamite perché il samario è considerato un metallo raro. Gli utilizzi di questi magneti si riscontra in aree in cui sono richieste elevate intensità di campo magnetico ad alte temperature come ad esempio per la costruzione di generatori, motori, sensori e dispositivi di misurazione.