Diseño de procesos y dispositivos para la producción semi-industrial de materiales magnéticos blandos y duros: caracterización

Fecha Disponible

2026-11-05

Título

Diseño de procesos y dispositivos para la producción semi-industrial de materiales magnéticos blandos y duros: caracterización

Colaborador

Pagnola, Marcelo Rubén
Sirkin, Hugo Ricardo Mario

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2021-11-05

Extensión

150 p.

Resumen

El trabajo de esta tesis doctoral consistió principalmente en la elaboración de materiales magnéticos mediante la técnica de solidificación rápida (Melt Spinning), analizando las variables involucradas, caracterizando los productos obtenidos.En este trabajo se produjeron cintas ferromagnéticas blandas Fe78Si9B13 (% at.) y duras Nd4Fe74B14Ti4 (% at.), dado que el laboratorio de sólidos amorfos venía enfocando estudios previos con esas aleaciones debido a sus excelentes prestaciones magnéticas. Alternativamente, se realizó un estudio preliminar con producción de microesferas blandas de Fe78Si9B13 (% at.) por goteo en nitrógeno líquido. La fundición se realizó en un crisol de cuarzo empleando un horno de inducción. Las microesferas obtenidas fueron observadas por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y caracterizadas en su tamaño, ajustándose con una distribución normal en unos 545.94 μm con un desvío estándar de 177 μm. Desde el punto de vista magnético, las microesferas obtenidas observan características similares con referencia a la coercitividad (9.5 A/m) a las desarrolladas por el proceso industrial de Melt Spinning (2.5 A/m). Este trabajo involucró la realización de simulaciones numéricas del proceso desolidificación rápida, que fueron contrastadas con ensayos experimentales. Esto permitió determinar que el espesor de la cinta y la tasa de enfriado pueden controlarse al variar la velocidad tangencial de la rueda giratoria en el proceso de Melt Spinning. Cintas de Fe78Si9B13 (%wt.) de 32 μm de espesor y 1.18 mm de ancho son obtenidas con velocidades tangenciales de 40 m/s, Gap de 3 mm, diámetro del orificio de crisol de 0,6 mm y presión de eyección de 0.3±2x10-3 bar. Se estudió la conformación de materiales magnéticos blandos alternativos para prestaciones de bajo rendimiento; para ello, se realizó el tratamiento térmico en cintas de Fe78Si9B13 (% at.) y su posterior molienda con el objetivo de obtener polvos utilizados para el conformado de un núcleo magnético que resulta en una matriz de resina polimérica (VERACRIL® FTRA32-001). Los productos también fueroncaracterizados magnéticamente.
La caracterización tanto estructural como magnética de las muestras fue realizadautilizando las técnicas de calorimetría diferencial de barrido (DSC), magnetómetro con dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID magnetometer), magnetómetro de muestra vibrante (VSM), espectroscopia Mössbauer (EM) y difracción de rayos X (DRX).
Se realizó también un análisis del ahorro energético en materiales blandos: para ello, en el laboratorio se construyó y midió un transformador monofásico utilizando un núcleo fabricado con cintas amorfas. De la misma manera, se utilizó un software de simulación numérica (FEMM) para modelizar el transformador y contrastar las pérdidas energéticas originadas en el núcleo. Un estudio comparativo entre las cintas blandas producidas en laboratorio y las de origen semi-industrial permitió estimar los costos: la conclusión es que, por metro de cinta, se hace necesario superar los 8 Kg en el proceso semi-industrial para abaratar los costos de laboratorio. En cambio, para la producción de cintas duras dependientes del costo de Nd (commodity), es más complejo estimar un costo real del producto. No obstante, se estima que este bien aumentará hasta un 85% por tonelada en 2025(*) , por lo cual los valores calculados en este trabajo son meramente informativos.
Todos los trabajos de investigación relacionados con esta tesis contribuyeron conconocimiento propio (know how) consolidado en el montaje de una planta piloto de materiales magnéticos desarrollada en la FIUBA para una producción a escala semi- industrial de materiales magnéticos dentro del proyectoFonArSec FS NANO 03/10.
The work of this doctoral thesis consisted mainly in the elaboration of magnetic
materials by means of the fast solidification technique (Melt Spinning), analyzing the variables involved, characterizing the obtained products. In this work, soft Fe78Si9B13 (% at.) and hard Nd4Fe74B14Ti4 (% at.) ferromagnetic tapes were produced, since the amorphous solids laboratory had been focusing previous studies with these alloys due to their excellent magnetic performance.Alternatively, a preliminary study was carried out with the production of soft microspheres of Fe78Si9B13 (% at.) by dripping in liquid nitrogen. The smelting was carried out in a quartz crucible using an induction furnace. The microspheres obtained were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and characterized in their size, fitting with a normal distribution of about 545.94 μm with a standard deviation of 177μm. From the magnetic point of view, the microspheres obtained observe a similar characteristic in relation to coercivity (9.5 A/m) to those developed by the industrialMelt Spinning process (2.5 A/m). This work involved the realization of numerical simulations of the fast solidification process, which were contrasted with experimental tests. This made it possible todetermine that the thickness of the belt and the rate of cooling can be controlled by varying the tangential speed of the rotating wheel in the Melt Spinning process.Fe78Si9B13 (% wt.) tapes, 32 μm thick and 1.18 mm wide, are obtained with tangential speeds of 40 m/s, Gap of 3mm, diameter of the crucible orifice of 0.6 mm and ejection pressure of 0.3 ± 2x10-3 bar. The conformation of alternative soft magnetic materials for low performance benefits was studied, for this, the thermal treatment was carried out on Fe78Si9B13 (% at.) tapes, and its subsequent grinding to obtain powders used for the formation of a magnetic core resulting in a polymeric resin matrix (VERACRIL ® FTRA32-001). These products were also magnetically characterized. The structural and magnetic characterization of the samples were carried out with differential scanning calorimeter (DSC) techniques, a magnetometer with a superconducting quantum interference device (SQUID magnetometer), a vibrating sample magnetometer (VSM), Mössbauer spectroscopy (EM) and X-ray diffraction (XRD). An analysis of energy savings in soft materials was also carried out, for this a single- phase transformer was built and measured in the laboratory using a core made of amorphous tapes. And a numerical simulation software (FEMM) was used to model thetransformer and contrast the energy losses originated in the core. A comparative study between the laboratory and semi-industrial productions of soft tapes allowed estimating costs, concluding that per meter of tape it is necessary to exceed 8 kg in the semi-industrial process to lower laboratory costs. On the other hand, for the production of hard tapes dependent on the cost of Nd (commodity), it is morecomplex to estimate a real cost of the product; however, it is estimated that this good will increase up to 85% per ton in 2025 (*), with which that the values calculated in this work are merely informative. All the research works related to this thesis contributed their own knowledge (know how) consolidated in the assembly of a pilot plant of magnetic materials developed at FIUBA for a semi-industrial scale production of magnetic materials within theFonArSec FS NANO 03/10 project.