هل مغناطيس Ndfeb عرضة للتآكل في البيئات الرطبة أو الحمضية؟ ما مدى مقاومة التآكل التي يمكن تعزيزها بعمليات معالجة الأسطح الشائعة (مثل طلاء النيكل، وطلاء الإيبوكسي)؟

1. قابلية التآكل لمغناطيسات NdFeB

تشتهر مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) بقوتها المغناطيسية الاستثنائية، إلا أنها معرضة بطبيعتها للتآكل في البيئات الرطبة أو الحمضية. تنشأ هذه القابلية من بنيتها الدقيقة وتكوينها العنصري:

• ضعف البنية الدقيقة :تتكون مغناطيسات NdFeB من مصفوفة من حبيبات Nd₂Fe₁₄B مفصولة بحدود حبيبات غنية بالنيوديميوم (Nd). تعتبر حدود الحبوب هذه غير مستقرة ترموديناميكيًا وعرضة للأكسدة، وخاصة في وجود الرطوبة أو المواد الحمضية.
• النشاط الكهروكيميائي :إن التفاعلية العالية للنيوديميوم (إمكانات القطب الكهربائي القياسية -2.43 فولت) تجعله عرضة للذوبان الأنودي في البيئات المسببة للتآكل. في الظروف الرطبة، تمتص جزيئات الماء على سطح المغناطيس، مما يشكل إلكتروليت موصل يسهل التآكل الكهروكيميائي. تعمل البيئات الحمضية على تسريع هذه العملية عن طريق خفض الرقم الهيدروجيني، مما يزيد من تركيز أيونات الهيدروجين (H⁺) التي تهاجم سطح المغناطيس.
• التآكل الجلفاني :عندما تتلامس مغناطيسات NdFeB مع معادن مختلفة (على سبيل المثال، العلب الفولاذية في المحركات)، يمكن أن يحدث تآكل جلفاني. يعمل المعدن الأكثر نبلاً (على سبيل المثال، الفولاذ) كقطب موجب، في حين يعمل مغناطيس NdFeB كأنود، مما يؤدي إلى تسريع التآكل الموضعي.

الأدلة التجريبية :

• تفشل مغناطيسات NdFeB غير المغلفة في غضون ساعات في اختبارات الضباب الملحي (ASTM B117)، والتي تحاكي البيئات الرطبة والملحية. ويرجع هذا التآكل السريع إلى تكوين أكاسيد وهيدروكسيدات النيوديميوم، التي تتقشر، مما يعرض المعدن الجديد لمزيد من الهجوم.
• في المحاليل الحمضية (على سبيل المثال، 5% حمض الهيدروكلوريك)، تظهر مغناطيسات NdFeB معدل تآكل يصل إلى 100 µم/السنة، وهو أعلى بكثير من الفولاذ المقاوم للصدأ (0.1–1 µم/سنة). تتضمن منتجات التآكل NdCl₃ وFeCl₂ وB₂O₃، والتي تذوب في الحمض، مما يؤدي إلى استمرار عملية التحلل.

2. عمليات معالجة الأسطح لتعزيز مقاومة التآكل

لتخفيف التآكل، تخضع مغناطيسات NdFeB لمعالجات سطحية مختلفة تشكل حواجز واقية، وتعزل المغناطيس عن الوسائط المسببة للتآكل، وتحسن المتانة على المدى الطويل. تتضمن الطرق الأكثر شيوعًا طلاء النيكل وطلاء الإيبوكسي والمعالجات المركبة.

A. طلاء النيكل (نظام متعدد الطبقات Ni-Cu-Ni)

يعد طلاء النيكل هو المعالجة السطحية الأكثر استخدامًا لمغناطيسات NdFeB نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل ومتانتها الميكانيكية وفعاليتها من حيث التكلفة. يتكون النظام متعدد الطبقات النموذجي من Ni-Cu-Ni من:

1. طبقة النيكل السفلية (4–5 µم) :يوفر الالتصاق بسطح المغناطيس ويعمل كحاجز ضد انتشار النحاس في الركيزة.
2. طبقة النحاس (5–10 µم) :يقلل من المسامية في طلاء النيكل عن طريق ملء العيوب الدقيقة، مما يعزز مقاومة التآكل.
3. الطبقة العلوية من النيكل (8–10 µم) :يوفر حاجزًا كثيفًا ووقائيًا ضد الرطوبة والمواد الكيميائية. تتكون الطبقة العلوية غالبًا من النيكل شبه اللامع أو اللامع، مما يوفر خصائص زخرفية إضافية ومقاومة للتآكل.

تعزيز مقاومة التآكل :

• في اختبارات ضباب الملح، أظهرت مغناطيسات NdFeB المطلية بـ Ni-Cu-Ni مقاومة للتآكل بنسبة  500–1000 ساعة  قبل ظهور الصدأ الأحمر، مقارنة بـ <ساعات24  للمغناطيسات غير المطلية. وهذا يمثل  20–تحسين بمقدار 40 ضعفًا  في المتانة.
• يقلل الهيكل متعدد الطبقات من احتمالية حدوث التآكل الثقبي، وهو وضع فشل شائع في الطلاءات أحادية الطبقة. تعمل الطبقة النحاسية كأنود تضحية، لحماية النيكل الأساسي في حالة حدوث تلف موضعي في الطلاء.
• كما يعمل طلاء النيكل على تحسين مقاومة المغناطيس للغازات المحتوية على الكبريت (على سبيل المثال، H₂S)، والتي يمكن أن تسبب تشويه وتدهور المغناطيسات غير المطلية.

B. طلاء الإيبوكسي

الطلاءات الإيبوكسي عبارة عن بوليمرات حرارية صلبة توفر مقاومة كيميائية استثنائية، واستقرارًا حراريًا، ومتانة بيئية. يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات البحرية والسيارات والصناعية حيث تتعرض مغناطيسات NdFeB لظروف قاسية.

الميزات الرئيسية :

• المقاومة الكيميائية :تقاوم الطلاءات الإيبوكسي الأحماض (مثل حمض الهيدروكلوريك، وH₂SO₄)، والقلويات (مثل NaOH)، والمذيبات العضوية (مثل الأسيتون والإيثانول). وهذا يجعلها مثالية للاستخدام في مصانع المعالجة الكيميائية أو منصات النفط والغاز البحرية.
• الاستقرار الحراري :يمكن لطلاءات الإيبوكسي عالية الحرارة أن تتحمل درجات حرارة التشغيل المستمرة حتى  200°C  ودرجات الحرارة القصوى  380°C  بدون تدهور. يتجاوز هذا الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل لمعظم درجات مغناطيس NdFeB (على سبيل المثال، درجة N: 80°ج، درجة AH: 230°C).
• مقاومة رذاذ الملح :يمكن لمغناطيسات NdFeB المغطاة بالإيبوكسي أن تتحمل >1000 ساعة  في اختبارات الضباب الملحي دون تآكل، تفوقت على المغناطيسات المطلية بالنيكل في البيئات البحرية.
• الخصائص الميكانيكية :تعتبر الطلاءات الإيبوكسي صلبة ومقاومة للتآكل ومقاومة للصدمات، مما يحمي المغناطيس من التلف المادي أثناء التعامل معه أو تشغيله.

مثال للتطبيق :

• في أنظمة الدفع البحرية، يتم استخدام مغناطيسات NdFeB المغطاة بالإيبوكسي في محركات المغناطيس الدائم (PMMs) للقوارب الكهربائية. تمنع الطلاءات التآكل الناتج عن مياه البحر، مما يطيل عمر خدمة المحرك إلى >سنين20 ، مقارنة ب <سنين5  للمغناطيسات غير المطلية.

C. المعالجات المركبة (Ni-Cu-Ni + Epoxy)

لتحقيق الفوائد التآزرية، غالبًا ما تتم معالجة مغناطيسات NdFeB بمزيج من الطلاء بالنيكل وطلاء الإيبوكسي. ويستفيد هذا النهج من مقاومة النيكل للتآكل والمتانة الكيميائية للإيبوكسي.

تدفق العملية :

1. طلاء النيكل :يتم طلاء المغناطيس أولاً بنظام متعدد الطبقات من Ni-Cu-Ni لتوفير قاعدة موصلة ومقاومة للتآكل.
2. طلاء الإيبوكسي :يتم تطبيق طبقة من راتنج الإيبوكسي فوق طلاء النيكل باستخدام الغمس أو الرش أو الترسيب الكهروستاتيكي. ثم يتم معالجة الطلاء في  150–200°C  لتشكيل شبكة بوليمرية مترابطة.

مزايا الأداء :

• مقاومة التآكل المحسنة :يمكن للطلاء المركب أن يتحمل >2000 ساعة  في اختبارات الضباب الملحي، مما يجعله مناسبًا للبيئات القاسية مثل توربينات الرياح البحرية أو محطات تحلية المياه.
• تحسين الالتصاق :يوفر طلاء النيكل سطحًا خشنًا ومساميًا يعزز التشابك الميكانيكي مع طلاء الإيبوكسي، مما يقلل من خطر التقشر.
• العزل الكهربائي :تعمل طبقة الإيبوكسي على عزل المغناطيس عن الوسائط الموصلة، مما يمنع التآكل الجلفاني في التجمعات متعددة المعادن.

3. تحليل مقارن للمعالجات السطحية

يعتمد اختيار المعالجة السطحية على المتطلبات المحددة للتطبيق، بما في ذلك شدة التآكل، ودرجة حرارة التشغيل، والقيود المفروضة على التكلفة.

النقاط الرئيسية :

• طلاء النيكل  يقدم حلاً فعالاً من حيث التكلفة للبيئات ذات التآكل المعتدل (على سبيل المثال، الإعدادات الصناعية الداخلية).
• طلاءات الإيبوكسي  يتم تفضيلها للبيئات الكيميائية أو البحرية القاسية حيث تكون المتانة على المدى الطويل أمرًا بالغ الأهمية.
• العلاجات المركبة  تعتبر مثالية للظروف القاسية حيث تكون مقاومة التآكل ودرجة الحرارة مطلوبة، وإن كان ذلك بتكلفة أعلى.

4. الاتجاهات المستقبلية

ويجري حاليًا البحث لتطوير معالجات سطحية متقدمة تعمل على تعزيز مقاومة مغناطيسات NdFeB للتآكل مع خفض التكاليف. وتشمل الأساليب الواعدة ما يلي::

• طلاءات النانو المركبة :دمج الجسيمات النانوية (على سبيل المثال، SiO₂ وTiO₂) في الطلاءات الإيبوكسي أو النيكل لتحسين خصائص الحاجز وقدرات الشفاء الذاتي.
• ترسيب الطبقة الذرية (ALD) :ترسيب طبقات أكسيد رقيقة للغاية (بمقياس النانومتر) (على سبيل المثال، Al₂O₃، TiO₂) للحماية من التآكل دون ثقوب.
• الطلاءات القابلة للتحلل الحيوي :تطوير طلاءات صديقة للبيئة تعتمد على البوليمرات الطبيعية (على سبيل المثال، الكيتوزان، واللجنين) للتطبيقات المستدامة.

5. خاتمة

تعتبر مغناطيسات NdFeB عرضة للتآكل بشكل كبير في البيئات الرطبة أو الحمضية بسبب بنيتها الدقيقة التفاعلية. ومع ذلك، فإن المعالجات السطحية مثل طلاء النيكل، وطلاء الإيبوكسي، والمعالجات المركبة يمكن أن تعزز بشكل كبير مقاومتها للتآكل، مما يطيل عمرها الافتراضي.  20–س100  اعتمادًا على طريقة العلاج. من خلال اختيار المعالجة السطحية المناسبة بناءً على متطلبات التطبيق، يمكن للمهندسين ضمان الأداء الموثوق به لمغناطيسات NdFeB حتى في البيئات الأكثر تحديًا.