Laboratório de Materiais Magnéticos

Fabricação de Ímãs Permanentes

Uma das principais linhas de pesquisa do Laboratório MAGMA é a investigação de parâmetros e processos no âmbito da metalurgia do pó para a fabricação de ímãs permanentes de terras-raras, particularmente, ímãs de Nd-Fe-B. 

Para que ímãs deste tipo apresentem as características adequadas para aplicação, diversos requisitos em termos de composição química, granulometria, alinhamento magnético e desenvolvimento microestrutural devem ser atingidos. Por isso, estudos estão sendo desenvolvidos para a otimização de parâmetros de processo a fim de se atingir estes requisitos, tanto para fabricação de ímãs em escala laboratorial como em escala piloto.

Processo de Grain Boundary Diffusion – GBD em ímãs permanentes

É um processo que consiste na modificação microestrutural da fase presente no contorno de grão de ímãs de Nd-Fe-B, por meio da incorporação de elementos, sejam eles terras-raras (TRs) leves ou pesados ou até mesmo metais de transição. O processo mais comumente utilizado é o de adição de terras-raras pesadas, tais como disprósio e térbio, onde esses elementos são adicionados à superfície do ímã e posteriormente difundidos via contorno de grão para o interior dele. A introdução de TRs pesadas promove a alteração local de propriedades intrínsecas da fase Nd2Fe14B presente na superfície de cada grão, resultando em aumento significativo no valor de coercividade (resistência do ímã à desmagnetização), sem grande queda da remanência (intensidade de campo magnético que um ímã é capaz de produzir na ausência de um campo magnético externo).    

Como vantagens pode-se citar a possibilidade de aumentar a coercividade de um ímã de Nd-Fe-B na sua forma final, adicionando uma fração pequena de material de adição, o que é economicamente vantajoso e evita uma queda significativa do valor de remanência. 

Algumas desvantagens desse processo incluem a elevada temperatura necessária para a difusão  dos TRs pesados (800°C – 1000°C) e o tempo de tratamento, o que a nível industrial pode significar um gargalo de rendimento na produção em massa. Como o processo depende da difusão dos elementos do centro ao núcleo do material, há uma  restrição em termos de espessura do ímã que receberá adição, ou seja, caso o ímã tenha espessura muito grande poderá apresentar uma heterogeneidade de difusão e consequente de coercividades. 

O processo Press-Less Process– PLP em ímãs permanentes

O PLP é considerado um método avançado da metalurgia do pó, e sua viabilidade para produzir ímãs de alta qualidade já foi demonstrada na literatura. A rota PLP elimina a necessidade de compactação, não sendo necessário utilizar moldes plásticos, porém inclui a necessidade de utilizar moldes rígidos que não degradam durante a sinterização, e quimicamente inertes – já que no processo de sinterização, os moldes contendo os pós alinhados magneticamente devem ser introduzidos no forno. Além de não exigir a etapa de compactação, este é um método utilizado para produção de peças net-shape ou near-net-shape, logo, os custos de usinagem podem ser substancialmente reduzidos, abrindo caminho para a fabricação de ímãs praticamente prontos para aplicação. Além disso, o método PLP permite o manuseio de pós de uma forma mais controlada ao longo de todo o processamento, minimizando a captação de oxigênio. Isto é crucial,  para todo o processo de sinterização. Garantir a absorção mínima de oxigênio é fundamental para manter uma quantidade adequada de fase líquida durante a sinterização, levando a ímãs reciclados com alta coercividade e remanência.

Outro aspecto importante do método PLP é que o alinhamento magnético das partículas deve ser garantido, e isto usualmente é realizado a partir de investigações da densidade de preenchimento dos moldes ou do uso de lubrificantes sólidos para reduzir o atrito entre as partículas magnéticas (entre elas mesmas e entre as paredes dos moldes). Desta forma, desde que bem parametrizado, o método PLP pode ser uma alternativa para a produção em massa otimizada de ímãs permanentes.

Reciclagem de Ímãs Permanentes

Os Ímãs permanentes de Nd-Fe-B vem sendo muito utilizados em diversos setores e produtos, podendo ser aplicados em uma vasta quantidade de equipamentos, tais como em motores, geradores, dispositivos de levitação magnética, dentre outros. Isto tem levado ao aumento do consumo de matérias-primas críticas, como os óxidos de Nd e Dy, os quais possuem elevado valor agregado e são os principais componentes para a fabricação de ímãs de terras-raras. A reciclagem de ímãs em final de vida oferece uma oportunidade para reduzir a dependência destas matérias-primas, ao mesmo tempo em que minimiza o impacto ambiental e direciona ímãs que seriam descartados, para aplicações de alta tecnologia. 

Uma das rotas mais diretas para a reciclagem de ímãs de Nd-Fe-B é a denominada ímã-para-ímã (magnet-to-magnet), onde os ímãs em fim de vida são utilizados como matéria-prima de entrada. Esta rota segue o processamento tradicional, via metalurgia do pó, a qual apresenta as seguintes etapas: decrepitação por hidrogênio, moagem grosseira e peneiramento, moagem fina, preenchimento de moldes, alinhamento magnético, compactação, sinterização, recozimento, usinagem, revestimento e magnetização. Ou seja, é possível reciclar ímãs descartados a partir do mesmo processo que inicialmente foi utilizado para a fabricação destes ímãs.

Entretanto, a reciclagem de ímãs via rota magnet-to-magnet ainda é desafiadora, tanto em termos de controle de composição química quanto em termos de uptake de oxigênio durante o processo, reduzindo assim a classe do ímã reciclado se comparado ao ímã original – ou seja, submeter a sucata de ímã ao reprocessamento usualmente representa um downcycling. 

Adicionalmente, outras metodologias de reciclagem (ciclos curtos, médios e longos de reciclagem) estão sendo sendo investigadas, visando recuperar ímãs em fim de vida e cavacos de usinagem em diferentes estados de oxidação inicial, por exemplo, a rota de redução calciotérmica está sendo investigada com o intuito de recuperar cavacos de usinagem ou resíduos com elevado estado de oxidação.

Manufatura Aditiva – Conceito Near Net-Shape

Os ímãs produzidos através da metalurgia do pó convencional (compactação de pó e posterior sinterização) possuem alto produto-energia. Entretanto, para obter formas e geometrias complexas (não atingidas no molde de compactação), são necessárias outras etapas de acabamento, como: usinagem, eletrocorte e retífica. Esses processos posteriores geram descarte de material, o que muitas vezes inviabiliza um projeto, devido ao elevado preço da matéria – prima.

Por outra via, os ímãs compósitos ou bonded (mistura de material magnético e ligante polimérico), permitem que formas e geometrias complexas sejam acessíveis, no entanto, sacrificam o produto – energia do imã. Um processo consolidado de fabricação dessa categoria de imãs é a injeção.

O processamento de metal por injeção (PMI) e a manufatura aditiva (MA) abrangem o conceito near net-shape, em que a forma final do produto é a mais próxima possível do produto final. Com isso, reduzindo o desperdício de material magnético. Entretanto, é necessário aliá-lo ao alto desempenho magnético dos imãs Terras – Raras.

O processo MPI possui a vantagem de combinar a moldabilidade do processo de injeção com o processo de sinterização, o que permite a fabricação de componentes geometricamente complexos, net-shape, e totalmente densos. Pode possibilitar ainda a obtenção de propriedades magnéticas no ímã similares àqueles fabricados através do processo de metalurgia do pó.

A manufatura aditiva é uma tecnologia com grande potencial de inovação. Além disso, é importante salientar a versatilidade desse processo, em que podem-se alterar formas e dimensões in time. Para construir a peça camada por camada, não é necessário um molde para produzir a peça. 

Estudos de extração do ligante e posterior consolidação do imã (para obter elevado desempenho) serão os próximos passos dessa linha. A complexidade de formas atingidas pela MA pode contribuir muito para o desenvolvimento de motores elétricos, ajudando os designers de motores a encontrarem novas soluções no mercado.