Der Einfluss von Salzsprühnebel auf Magnete

Magnete sind als kritische Komponenten in zahlreichen Industrie- und Konsumanwendungen häufig rauen Umweltbedingungen, wie beispielsweise Salznebel, ausgesetzt. Salznebel, gekennzeichnet durch hohe Luftfeuchtigkeit und korrosive Salzionen, stellt erhebliche Herausforderungen für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Magneten dar. Dieser Artikel untersucht die Auswirkungen von Salznebel auf Magnete und konzentriert sich dabei auf die Korrosionsmechanismen, den Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften, die Rolle von Schutzbeschichtungen und die Testmethoden zur Bewertung der Magnetleistung unter solchen Bedingungen. Durch eine umfassende Analyse bestehender Forschungsergebnisse und Industriepraktiken bietet dieser Artikel Einblicke in die Herausforderungen und Lösungsansätze beim Einsatz von Magneten in Salznebelumgebungen.

1. Einleitung

Magnete, ob Permanent- oder Elektromagnete, spielen in verschiedenen Branchen eine entscheidende Rolle, darunter Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, erneuerbare Energien und Unterhaltungselektronik. Ihre Fähigkeit, Magnetfelder zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, ermöglicht ihnen wichtige Funktionen wie Stromerzeugung, Aktorik, Sensorik und Datenspeicherung. Die Leistungsfähigkeit von Magneten kann jedoch durch Umwelteinflüsse erheblich beeinträchtigt werden, wobei Salznebel zu den schädlichsten Faktoren zählt. Salznebelumgebungen, die häufig in Küstengebieten, bei maritimen Anwendungen und in Industrieanlagen vorkommen, wo Salz zum Enteisen oder für chemische Prozesse verwendet wird, setzen Magnete einer Kombination aus hoher Luftfeuchtigkeit und korrosiven Salzionen aus, was zu beschleunigtem Verschleiß und Ausfall führt. Das Verständnis der Auswirkungen von Salznebelumgebungen auf Magnete ist daher unerlässlich für die Entwicklung zuverlässiger und langlebiger Magnetsysteme, die auch unter rauen Bedingungen bestehen können.

2. Korrosionsmechanismen in Salzsprühumgebungen

2.1 Elektrochemische Korrosion

Der Hauptmechanismus der Korrosion in Salzsprühnebelumgebungen ist die elektrochemische Korrosion. Wird ein Magnet einer Salzlösung ausgesetzt, erleichtern die leitfähigen Salzionen den Elektronenfluss zwischen verschiedenen Bereichen des Magneten, was zu Oxidations- und Reduktionsreaktionen führt. Beispielsweise kann bei Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB), die aufgrund ihrer hohen magnetischen Stärke weit verbreitet sind, die Anwesenheit von Wasser und Salzionen dazu führen, dass die neodymreichen (Nd-reichen) Phasen an den Korngrenzen reagieren und Neodymhydroxid (Nd(OH)₃) bilden. Diese Reaktion ist mit einer signifikanten Volumenzunahme verbunden, die innere Spannungen erzeugt und schließlich zu Rissen und Abplatzungen der Magnetoberfläche führt. Der elektrochemische Korrosionsprozess wird durch die Anwesenheit von Sauerstoff, der als Oxidationsmittel wirkt und die Oxidation von Metallatomen fördert, weiter beschleunigt.

2.2 Lochfraßkorrosion

Lochfraßkorrosion ist eine weitere häufige Korrosionsform bei Magneten, die Salzsprühnebel ausgesetzt sind. Sie entsteht, wenn lokal begrenzte Bereiche der Magnetoberfläche im Vergleich zu ihrer Umgebung anodisch werden und kleine Vertiefungen oder Löcher bilden. Diese Vertiefungen können tief in den Magneten eindringen und seine strukturelle Integrität sowie seine magnetischen Eigenschaften beeinträchtigen. Lochfraßkorrosion wird oft durch Defekte oder Einschlüsse im Magnetmaterial oder in der Schutzbeschichtung ausgelöst, die Angriffspunkte für korrosive Substanzen bieten.

2.3 Spaltkorrosion

Spaltkorrosion tritt in engen Spalten oder Ritzen auf der Magnetoberfläche auf, beispielsweise zwischen Magnet und Halterung oder Gehäuse. In diesen beengten Bereichen kann die Konzentration von Salzionen und Sauerstoff stark schwanken, wodurch lokale elektrochemische Zellen entstehen, die die Korrosion begünstigen. Spaltkorrosion ist besonders problematisch in Magnetbaugruppen mit engen Toleranzen, da sie zum Lockern von Bauteilen und zum Ausfall des Magnetsystems führen kann.

3. Einfluss von Salzsprühnebel auf die magnetischen Eigenschaften

3.1 Reduzierung der magnetischen Flussdichte

Eine der bedeutendsten Auswirkungen von Salzsprühnebelkorrosion auf Magnete ist die Verringerung der magnetischen Flussdichte (B). Mit fortschreitender Korrosion der Magnetoberfläche bilden sich Korrosionsprodukte wie Hydroxide und Oxide, die eine nichtmagnetische Schicht erzeugen. Diese Schicht wirkt als Barriere für das Magnetfeld und verringert so die effektive Querschnittsfläche des Magneten, durch die der magnetische Fluss hindurchtreten kann. Dies führt zu einer Abnahme von B. Besonders ausgeprägt ist diese Verringerung bei Magneten mit dünnen Schutzschichten oder solchen, die über längere Zeit Salzsprühnebel ausgesetzt sind.

3.2 Abnahme der Koerzitivfeldstärke

Die Koerzitivfeldstärke (Hc), ein Maß für die Entmagnetisierungsbeständigkeit eines Magneten, kann auch durch Salzsprühnebelkorrosion beeinträchtigt werden. Korrosionsbedingte Schäden an der Mikrostruktur des Magneten, wie Rissbildung und Korngrenzenabbau, können die Ausrichtung der magnetischen Domänen stören und so die Entmagnetisierung durch externe Felder oder mechanische Belastung erleichtern. Infolgedessen sinkt die Koerzitivfeldstärke des Magneten, wodurch seine Fähigkeit, seine magnetischen Eigenschaften unter widrigen Bedingungen aufrechtzuerhalten, abnimmt.

3.3 Änderungen der magnetischen Anisotropie

Die magnetische Anisotropie, also die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften eines Magneten, kann auch durch Salzsprühkorrosion beeinflusst werden. Korrosionsbedingte Oberflächenrauheit und die Bildung von Korrosionsprodukten können die Magnetfeldverteilung im Magneten verändern und somit dessen anisotropes Verhalten beeinflussen. Diese Veränderungen können die Leistung magnetischer Systeme beeinträchtigen, die auf einer präzisen Steuerung der Magnetfeldausrichtung beruhen, wie beispielsweise Motoren und Sensoren.

4. Rolle von Schutzbeschichtungen bei der Minderung von Salzsprühkorrosion

4.1 Traditionelle Schutzbeschichtungen

Zum Schutz von Magneten vor Salzsprühnebelkorrosion wurden verschiedene Schutzbeschichtungen entwickelt und angewendet. Zu den traditionellen Beschichtungen zählen Nickel-Kupfer-Nickel (Ni-Cu-Ni), Zink (Zn) und Epoxidharz. Diese Beschichtungen bilden eine physikalische Barriere zwischen der Magnetoberfläche und der korrosiven Umgebung und verhindern so den direkten Kontakt von Salzionen und Wasser mit dem Magnetmaterial. Insbesondere Ni-Cu-Ni-Beschichtungen sind aufgrund ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Haftungseigenschaften weit verbreitet. Traditionelle Beschichtungen weisen jedoch Einschränkungen auf, insbesondere bei längerer Einwirkung von aggressivem Salzsprühnebel. Mit der Zeit können diese Beschichtungen sich zersetzen, was zur Bildung von Poren, Rissen und Delaminationen führt und ihre Schutzfunktion beeinträchtigt.

4.2 Fortschrittliche Schutzbeschichtungen

Um die Einschränkungen herkömmlicher Beschichtungen zu überwinden, haben Forscher fortschrittliche Schutzbeschichtungen mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist die selbstheilende Beschichtung, die mechanische Kratzer selbstständig reparieren und die Oberflächenfunktionalität wiederherstellen kann. In einer Studie entwickelten Forscher eine neuartige selbstheilende Beschichtung für NdFeB-Magnete, die eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit aufwies. Selbst nach 136 Tagen in einer 3,5 Gew.-%igen Salzwasserlösung war keine Korrosion nachweisbar. Diese Beschichtung zeigte zudem Anti-Eis-Eigenschaften, indem sie die Eisbildung verzögerte und die Eisadhäsionskraft bei niedrigen Temperaturen reduzierte. Dadurch eignet sie sich für Anwendungen in extremen Umgebungen.

Eine weitere fortschrittliche Beschichtungstechnologie ist die Parylenbeschichtung, die hervorragenden Schutz vor Korrosion, Feuchtigkeit und Chemikalien bietet. Parylenbeschichtungen werden im Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht, wodurch eine dünne, gleichmäßige und konforme Schicht entsteht, die fest an der Magnetoberfläche haftet. Es hat sich gezeigt, dass Parylenbeschichtungen Magnete auch in stark korrosiven Umgebungen langfristig vor Korrosion schützen. Allerdings können Parylenbeschichtungen teuer sein und die Haftung von Etiketten oder anderen Bauteilen auf der Magnetoberfläche beeinträchtigen.

4.3 Schichtdicke und Leistung

Die Dicke der Schutzschicht ist entscheidend für deren Korrosionsbeständigkeit und Gesamtleistung. Dickere Schichten bieten im Allgemeinen einen besseren Korrosionsschutz, da sie eine wirksamere Barriere gegen die korrosive Umgebung bilden. Eine Erhöhung der Schichtdicke kann jedoch auch Nachteile mit sich bringen, wie z. B. höhere Kosten, eine verringerte magnetische Leistung (aufgrund der Einführung einer nichtmagnetischen Schicht) und potenzielle Probleme mit der Haftung und Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Daher ist es unerlässlich, die Schichtdicke zu optimieren, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Korrosionsschutz und magnetischer Leistung zu erzielen.

5. Prüfmethoden zur Bewertung der Magnetleistung in Salzsprühumgebungen

5.1 Salzsprühtest (SST)

Der Salzsprühtest, auch Nebeltest genannt, ist ein weit verbreitetes, standardisiertes Prüfverfahren zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit von Werkstoffen, einschließlich Magneten, in simulierten Salzsprühumgebungen. Dabei werden die Magnetproben bei kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit einem kontinuierlichen oder intermittierenden Sprühnebel einer Salzlösung, typischerweise einer 5%igen Natriumchloridlösung (NaCl), ausgesetzt. Die Testdauer variiert je nach spezifischen Anforderungen und Normen und reicht von wenigen Stunden bis zu mehreren tausend Stunden. Die Leistungsfähigkeit des Magneten wird anhand des Auftretens von Korrosionsprodukten wie Rost oder Weißkorrosion sowie des Ausmaßes der Oberflächenbeschädigung beurteilt.

5.2 Beschleunigte Korrosionsprüfungen

Zusätzlich zum Standard-Salzsprühtest wurden beschleunigte Korrosionsprüfungen entwickelt, um schärfere oder längerfristige Korrosionsbedingungen in kürzerer Zeit zu simulieren. Zu diesen Prüfungen gehören der Essigsäure-Salzsprühtest (AASS) und der kupferbeschleunigte Essigsäure-Salzsprühtest (CASS). Beim AASS-Test wird der Salzlösung Essigsäure zugesetzt, um deren Aggressivität zu erhöhen, während beim CASS-Test die Korrosion durch Zugabe von Kupferchlorid (CuCl₂) weiter beschleunigt wird. Diese beschleunigten Prüfungen eignen sich zur schnellen Bewertung der Korrosionsbeständigkeit von Magneten und zum Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Schutzbeschichtungen oder -materialien.

5.3 Korrosionsüberwachung vor Ort

In-situ-Korrosionsüberwachungstechniken wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und die potentiodynamische Polarisation liefern Echtzeitinformationen über das Korrosionsverhalten von Magneten in Salzsprühnebelumgebungen. Die EIS misst die elektrische Impedanz der Magnet-Elektrolyt-Grenzfläche in Abhängigkeit von der Frequenz und ermöglicht so die Erkennung von Korrosionsprozessen und die Bewertung der Beschichtungsleistung. Bei der potentiodynamischen Polarisation wird ein variables Potenzial an den Magneten angelegt und der resultierende Strom gemessen. Dies liefert Informationen über die Korrosionsrate und die beteiligten elektrochemischen Mechanismen. Diese In-situ-Techniken sind wertvoll, um die Korrosionsdynamik von Magneten zu verstehen und deren Konstruktion sowie Schutzstrategien zu optimieren.

6. Praktische Anwendungen und Fallstudien

6.1 Marineanwendungen

Magnete finden breite Anwendung in der Schifffahrt, beispielsweise in Schiffsantrieben, Unterwasserfahrzeugen und Offshore-Windkraftanlagen, wo sie aggressiven Salznebelbedingungen ausgesetzt sind. In diesen Anwendungen ist die Korrosionsbeständigkeit der Magnete entscheidend für einen zuverlässigen und langlebigen Betrieb. So werden beispielsweise in Schiffsantrieben NdFeB-Magnete in Permanentmagnetmotoren eingesetzt, die sich durch hohe Effizienz und kompakte Bauweise auszeichnen. Um diese Magnete vor Salznebelkorrosion zu schützen, werden moderne Schutzbeschichtungen wie selbstheilende oder Parylen-Beschichtungen aufgebracht. Diese Beschichtungen verlängern nachweislich die Lebensdauer von Magneten in maritimen Umgebungen erheblich, reduzieren die Wartungskosten und verbessern die Systemzuverlässigkeit.

6.2 Anwendungen im Automobilbereich

In der Automobilindustrie werden Magnete in verschiedenen Komponenten eingesetzt, darunter Elektromotoren, Sensoren und Aktoren. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) steigt der Bedarf an Hochleistungsmagneten, die rauen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Salznebel, standhalten. So sind beispielsweise NdFeB-Magnete in EV-Traktionsmotoren hohen Temperaturen, Vibrationen und Salznebelkorrosion durch das zum Enteisen verwendete Streusalz ausgesetzt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickeln Automobilhersteller Magnete mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit, etwa durch fortschrittliche Schutzbeschichtungen oder Legierungsmodifikationen. Diese Magnete haben in realen Automobilanwendungen eine höhere Lebensdauer und Leistungsfähigkeit bewiesen.

6.3 Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wie beispielsweise Flugzeugtriebwerke, Navigationssysteme und Satellitenkomponenten, erfordern aufgrund der Belastung durch Salznebel und andere extreme Umweltbedingungen während des Fluges oder im Orbit ebenfalls Magnete mit hoher Korrosionsbeständigkeit. In Flugzeugtriebwerken werden Magnete beispielsweise in verschiedenen Sensoren und Aktoren eingesetzt, die für die Triebwerkssteuerung und -überwachung unerlässlich sind. Um die Zuverlässigkeit dieser Magnete zu gewährleisten, wenden Hersteller in der Luft- und Raumfahrt strenge Korrosionsprüfungs- und Qualifizierungsverfahren an, darunter Salznebeltests und beschleunigte Korrosionsprüfungen. Darüber hinaus werden in Luft- und Raumfahrtanwendungen fortschrittliche Schutzbeschichtungen und Materialien mit inhärenter Korrosionsbeständigkeit verwendet, um die Magnete zu schützen.

7. Schlussfolgerung

Salzsprühnebel stellt erhebliche Herausforderungen für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Magneten dar, vor allem durch elektrochemische Korrosionsmechanismen, die zur Bildung von Korrosionsprodukten, zur Reduzierung der magnetischen Eigenschaften und zu strukturellen Schäden führen. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, wurden verschiedene Schutzbeschichtungen entwickelt und eingesetzt, von traditionellen bis hin zu fortschrittlichen selbstheilenden und Parylen-Beschichtungen. Prüfmethoden wie Salzsprühnebeltests, beschleunigte Korrosionsprüfungen und In-situ-Korrosionsüberwachungstechniken sind unerlässlich, um die Korrosionsbeständigkeit von Magneten zu bewerten und deren Konstruktion und Schutzstrategien zu optimieren. Praktische Anwendungen in der Schifffahrt, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt verdeutlichen die Bedeutung korrosionsbeständiger Magnete für eine zuverlässige und dauerhafte Leistung in rauen Umgebungen. Mit dem technologischen Fortschritt konzentrieren sich die laufenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Magneten durch Materialinnovationen, Beschichtungstechnologien und Prüfmethoden, um deren breiteren Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen zu ermöglichen.