Können Ferritmagnete korrodieren?

Ferritmagnete, eine weit verbreitete Art von Permanentmagneten, sind bekannt für ihr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und ihre relativ stabilen magnetischen Eigenschaften. Wie viele andere Materialien sind sie jedoch nicht völlig korrosionsbeständig. Dieser Artikel untersucht das Korrosionsverhalten von Ferritmagneten eingehend. Er behandelt die Einflussfaktoren, die verschiedenen Korrosionsarten, die Folgen der Korrosion, Methoden zur Korrosionsverhütung sowie praktische Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit entscheidend ist. Durch das Verständnis dieser Aspekte können Ferritmagnete in unterschiedlichen Umgebungen besser eingesetzt und ihre Lebensdauer verlängert werden.

1. Einleitung

Ferritmagnete, auch Keramikmagnete genannt, bestehen hauptsächlich aus Eisenoxid (Fe₂O₃) und einem oder mehreren anderen Metalloxiden, wie beispielsweise Strontiumoxid (SrO) oder Bariumoxid (BaO). Aufgrund ihrer geringen Kosten, hohen Koerzitivfeldstärke und guten Beständigkeit gegen Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen sind sie in vielen Anwendungen beliebt. Dennoch stellt Korrosion weiterhin ein Problem dar, da sie die magnetischen Eigenschaften, die mechanische Integrität und die Gesamtfunktionalität dieser Magnete erheblich beeinträchtigen kann. Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse der Korrosion von Ferritmagneten.

2. Zusammensetzung und Struktur von Ferritmagneten

2.1 Chemische Zusammensetzung

Die chemische Grundformel für Strontiumferritmagnete lautet SrO·6Fe₂O₃, für Bariumferritmagnete BaO·6Fe₂O₃. Die Eisenoxidkomponente ist für die magnetischen Eigenschaften verantwortlich, während Strontium- bzw. Bariumoxid als Stabilisator wirkt und die Kristallstruktur sowie die magnetischen Eigenschaften beeinflusst. Das Vorhandensein dieser Elemente und ihr Verhältnis spielen eine entscheidende Rolle für das Korrosionsverhalten von Ferritmagneten.

2.2 Kristallstruktur

Ferritmagnete besitzen eine hexagonale Kristallstruktur, genauer gesagt eine Magnetoplumbitstruktur. Diese Struktur besteht aus Schichten von Sauerstoffionen, wobei Metallionen (Eisen, Strontium oder Barium) spezifische Zwischengitterplätze besetzen. Die einzigartige Kristallstruktur verleiht Ferritmagneten ihre charakteristischen magnetischen Eigenschaften, beeinflusst aber auch ihre Wechselwirkung mit der Umgebung und ihre Korrosionsanfälligkeit.

3. Faktoren, die die Korrosion von Ferritmagneten beeinflussen

3.1 Umweltfaktoren

• Luftfeuchtigkeit : Hohe Luftfeuchtigkeit kann die Korrosion von Ferritmagneten beschleunigen. Die Luftfeuchtigkeit reagiert mit der Magnetoberfläche, insbesondere bei Verunreinigungen oder Defekten. Wasser wirkt als Elektrolyt und begünstigt elektrochemische Korrosionsreaktionen. Beispielsweise können in feuchten Industrieumgebungen Ferritmagnete, die in Motoren oder Sensoren eingesetzt werden, Wasserdampf ausgesetzt sein, was zur Bildung von Korrosionsprodukten auf ihrer Oberfläche führt.
• Temperatur : Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Korrosionsrate. Höhere Temperaturen erhöhen im Allgemeinen die kinetische Energie der Moleküle und fördern so die chemischen Reaktionen, die zur Korrosion führen. Darüber hinaus können Temperaturänderungen thermische Spannungen im Magneten verursachen, die zur Bildung von Mikrorissen führen können. Diese Risse bieten korrosiven Substanzen Wege, in den Magneten einzudringen und den Korrosionsprozess zu beschleunigen. Beispielsweise können Ferritmagnete, die in Automobilanwendungen eingesetzt werden, starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sein – von Kaltstarts im Winter bis hin zu hohen Betriebstemperaturen unter der Motorhaube. Dies kann ihre Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.
• Korrosive Gase : Das Vorhandensein korrosiver Gase in der Umgebung, wie beispielsweise Schwefeldioxid (SO₂), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Chlor (Cl₂), kann ebenfalls zur Korrosion von Ferritmagneten führen. Diese Gase lösen sich in der Feuchtigkeit auf der Magnetoberfläche und bilden saure oder alkalische Lösungen, die die Metalloxide im Magneten angreifen. Beispielsweise können in einer Chemieanlage, in der während des Produktionsprozesses SO₂ freigesetzt wird, die in den Anlagen verwendeten Ferritmagnete durch die saure Lösung, die bei der Reaktion von SO₂ mit Wasser entsteht, korrodiert werden.

3.2 Materielle Faktoren

• Reinheit der Rohstoffe : Die Reinheit des in der Ferritmagnetherstellung verwendeten Eisenoxids, Strontiumoxids oder Bariumoxids beeinflusst deren Korrosionsbeständigkeit. Verunreinigungen in den Rohstoffen können als Ausgangspunkte für Korrosion dienen. Beispielsweise können Spuren anderer Metallionen oder nichtmetallischer Elemente im Eisenoxid galvanische Zellen mit den Eisenionen bilden und so den elektrochemischen Korrosionsprozess beschleunigen.
• Mikrostruktur : Die Mikrostruktur des Ferritmagneten, einschließlich Korngröße, Korngrenzen und dem Vorhandensein von Poren oder Defekten, kann sein Korrosionsverhalten beeinflussen. Feinkörnige Magnete weisen im Allgemeinen eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf als grobkörnige, da die Korngrenzen als Barrieren gegen die Ausbreitung von Korrosion wirken können. Poren und Defekte an der Oberfläche oder im Inneren des Magneten können Bereiche für die Ansammlung korrosiver Substanzen bieten und Korrosion auslösen.

4. Arten der Korrosion in Ferritmagneten

4.1 Elektrochemische Korrosion

Elektrochemische Korrosion ist die häufigste Korrosionsart bei Ferritmagneten. Sie tritt auf, wenn zwei verschiedene Metallphasen oder Bereiche mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen in Gegenwart eines Elektrolyten in Kontakt kommen. In Ferritmagneten können Eisenionen und Strontium- oder Bariumionen unter bestimmten Bedingungen eine galvanische Zelle bilden. Das reaktionsfreudigere Eisen fungiert als Anode und wird oxidiert, während die Strontium- oder Bariumionen als Kathode wirken. Die Gesamtreaktion lässt sich wie folgt darstellen:

Anodenreaktion: Fe→Fe2++2e−

Kathodenreaktion: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻

Die Fe²⁺- Ionen können weiter mit OH⁻- Ionen zu Eisenhydroxiden reagieren, welche dann zu Eisenoxiden (Korrosionsprodukten) oxidiert werden können. Diese Art der Korrosion tritt häufig bei Ferritmagneten auf, die feuchten Umgebungen oder wässrigen Lösungen ausgesetzt sind.

4.2 Chemische Korrosion

Chemische Korrosion tritt auf, wenn die Oberfläche des Ferritmagneten ohne Beteiligung eines elektrischen Stroms direkt mit korrosiven Substanzen in der Umgebung reagiert. Ferritmagnete können beispielsweise mit starken Säuren oder Laugen reagieren. Bei Kontakt mit einer starken Säure wie Salzsäure (HCl) kann das Eisenoxid im Magneten wie folgt reagieren:

Fe2​O3​+6HCl→2FeCl3​+3H2​O

Diese Reaktion führt zur Auflösung des Magnetmaterials und zur Bildung löslicher Eisensalze, was eine Verschlechterung der physikalischen und magnetischen Eigenschaften des Magneten zur Folge hat.

4.3 Spannungsrisskorrosion

Spannungsrisskorrosion (SRK) ist eine Korrosionsart, die auftritt, wenn ein Werkstoff in einer korrosiven Umgebung Zugspannungen ausgesetzt ist. Bei Ferritmagneten können Spannungen während des Herstellungsprozesses, beispielsweise beim Pressen, Sintern oder Bearbeiten, entstehen. Wenn der Magnet einer korrosiven Umgebung ausgesetzt ist, können Risse entstehen und sich entlang der Korngrenzen oder durch die Körner ausbreiten, was zum Ausfall des Magneten führt. Beispielsweise können Ferritmagnete, die in Anwendungen mit hohen Spannungen, wie etwa in einigen Luft- und Raumfahrtkomponenten, eingesetzt werden, anfällig für SRK sein, wenn die Umgebung korrosive Substanzen enthält.

5. Folgen der Korrosion an Ferritmagneten

5.1 Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften

Korrosion kann die magnetischen Eigenschaften von Ferritmagneten erheblich beeinträchtigen. Die Bildung von Korrosionsprodukten auf der Magnetoberfläche kann die Magnetfeldverteilung verändern und die magnetische Flussdichte verringern. Mit fortschreitender Korrosion kann sich das Volumen des Magneten aufgrund der Korrosionsprodukte verändern, was ebenfalls seine magnetische Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Beispielsweise kann Korrosion in einem Magnetscheider mit Ferritmagneten die Trenneffizienz verringern, indem sie die auf die Magnetpartikel wirkende Magnetkraft reduziert.

5.2 Verlust der mechanischen Integrität

Korrosion kann die mechanische Struktur von Ferritmagneten schwächen. Die Bildung von Rissen durch Spannungsrisskorrosion oder die Auflösung des Materials durch chemische Korrosion kann die Festigkeit und Zähigkeit des Magneten verringern. Dies kann unter mechanischer Belastung, wie beispielsweise Vibrationen oder Stößen, zum Bruch des Magneten führen. In Anwendungen, bei denen der Magnet hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, wie etwa in einigen Industriemaschinen, kann korrosionsbedingtes mechanisches Versagen schwerwiegende Folgen haben.

5.3 Ästhetischer Schaden

Bei Anwendungen, bei denen das Aussehen des Ferritmagneten wichtig ist, wie beispielsweise in der Unterhaltungselektronik oder bei Dekorationsartikeln, kann Korrosion ästhetische Beeinträchtigungen verursachen. Die Bildung von rostähnlichen Korrosionsprodukten auf der Oberfläche des Magneten kann ihn unansehnlich machen und seinen Marktwert mindern.

6. Verfahren zur Korrosionsverhinderung von Ferritmagneten

6.1 Oberflächenbeschichtungen

• Epoxidbeschichtungen : Epoxidbeschichtungen werden häufig zum Schutz von Ferritmagneten vor Korrosion eingesetzt. Epoxidharze haften gut auf der Magnetoberfläche und bilden eine durchgehende, undurchlässige Schicht, die den Kontakt korrosiver Substanzen mit dem Magneten verhindert. Sie weisen zudem eine gute chemische Beständigkeit auf und sind gegenüber einer Vielzahl von Umwelteinflüssen beständig. Beispielsweise können Ferritmagnete, die im Außenbereich, etwa in magnetischen Türverschlüssen, verwendet werden, mit Epoxid beschichtet werden, um sie vor Regen und Feuchtigkeit zu schützen.
• Vernickelung : Die Vernickelung ist eine weitere wirksame Methode zum Korrosionsschutz. Nickel bildet eine dichte, korrosionsbeständige Schicht auf der Oberfläche des Magneten. Es besitzt zudem eine gute elektrische Leitfähigkeit, was in Anwendungen, in denen der Magnet Strom leiten muss, von Vorteil sein kann. Vernickelte Ferritmagnete werden häufig in elektronischen Bauteilen wie Lautsprechern und Motoren eingesetzt.
• Parylenbeschichtungen : Parylen ist eine Polymerbeschichtung, die mittels Dampfabscheidung auf Ferritmagnete aufgebracht werden kann. Sie bildet eine dünne, gleichmäßige und konforme Beschichtung, die hervorragenden Schutz vor Feuchtigkeit, Chemikalien und Staub bietet. Parylenbeschichtete Ferritmagnete eignen sich für hochpräzise Anwendungen, beispielsweise in Medizingeräten und Luft- und Raumfahrtkomponenten.

6.2 Umweltkontrolle

• Feuchtigkeitskontrolle : Durch die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung, in der Ferritmagnete gelagert oder verwendet werden, lässt sich das Korrosionsrisiko deutlich verringern. Dies kann durch den Einsatz von Luftentfeuchtern in Lagerräumen oder durch die luftdichte Verpackung der Magnete erreicht werden. In industriellen Umgebungen trägt auch eine ausreichende Belüftung zur Senkung der Luftfeuchtigkeit bei.
• Temperaturkontrolle : Durch die Aufrechterhaltung einer stabilen Temperatur lassen sich die thermische Belastung der Ferritmagnete minimieren und die Korrosionsrate reduzieren. Extreme Temperaturschwankungen können die Bildung von Mikrorissen und die Beschleunigung von Korrosionsreaktionen verhindern. Beispielsweise können in Automobilanwendungen geeignete Wärmemanagementsysteme dazu beitragen, Ferritmagnete vor den Auswirkungen von Temperaturänderungen zu schützen.
• Entfernung korrosiver Gase : In Umgebungen mit korrosiven Gasen können Maßnahmen ergriffen werden, um deren Konzentration zu entfernen oder zu reduzieren. Dazu gehören der Einsatz von Luftfiltersystemen, Gaswäschern oder die Auswahl von Materialien, die weniger empfindlich gegenüber den jeweiligen korrosiven Gasen sind. Beispielsweise können in Chemieanlagen Luftreinigungssysteme installiert werden, um SO₂ und andere korrosive Gase aus der Luft zu entfernen, bevor diese mit den Ferritmagneten in Kontakt kommt.

6.3 Materialauswahl und Designoptimierung

• Auswahl hochreiner Rohstoffe : Die Verwendung von hochreinem Eisenoxid, Strontiumoxid oder Bariumoxid bei der Herstellung von Ferritmagneten kann die Anzahl der Verunreinigungen, die als Korrosionsinitiierungsstellen wirken können, reduzieren. Dies kann die Korrosionsbeständigkeit der Magnete insgesamt verbessern.
• Optimierung der Mikrostruktur : Durch geeignete Fertigungsprozesse, wie die Kontrolle von Sintertemperatur und -zeit, lässt sich die Mikrostruktur des Ferritmagneten optimieren und so seine Korrosionsbeständigkeit verbessern. Es können feinkörnige Magnete mit weniger Defekten und Poren hergestellt werden, die korrosionsbeständiger sind.
• Konstruktionsüberlegungen : Bei der Konstruktion von Produkten mit Ferritmagneten sind Faktoren wie die Umwelteinflüsse auf den Magneten und die Einwirkung mechanischer Belastungen zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Verwendung eines Schutzgehäuses oder einer Abschirmung die Exposition gegenüber korrosiven Substanzen und mechanischen Beschädigungen verringern.

7. Anwendungsbereiche in der Praxis und Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit

7.1 Anwendungen im Automobilbereich

In der Automobilindustrie werden Ferritmagnete in verschiedenen Bauteilen wie Motoren, Sensoren und Aktoren eingesetzt. Diese Bauteile sind häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, darunter hohe Luftfeuchtigkeit, Temperaturschwankungen und korrosive Substanzen wie Streusalz. Daher müssen Ferritmagnete in Automobilanwendungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Zum Schutz dieser Magnete werden üblicherweise Oberflächenbeschichtungen wie Epoxid- oder Nickelplattierungen verwendet. Darüber hinaus werden geeignete Konstruktions- und Umweltkontrollmaßnahmen implementiert, um die langfristige Zuverlässigkeit der magnetischen Bauteile zu gewährleisten.

7.2 Unterhaltungselektronik

Ferritmagnete finden breite Anwendung in Unterhaltungselektronik wie Lautsprechern, Kopfhörern und Festplatten. In diesen Geräten sind die Magnete üblicherweise im Gehäuse eingeschlossen, können aber dennoch mit der Zeit Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Korrosion kann die magnetischen Eigenschaften der Magnete beeinträchtigen und so zu einer verminderten Klangqualität bei Lautsprechern oder Datenfehlern bei Festplatten führen. Um Korrosion vorzubeugen, verwenden Hersteller häufig Oberflächenbeschichtungen und sorgen für eine dichte Abdichtung der elektronischen Geräte.

7.3 Industrielle Anwendungen

In industriellen Anlagen werden Ferritmagnete in Magnetscheidern, Fördersystemen und Hebezeugen eingesetzt. Diese Anwendungen beinhalten häufig den Kontakt mit korrosiven Chemikalien, abrasiven Materialien und hoher Luftfeuchtigkeit. Korrosion kann nicht nur die magnetischen Eigenschaften der Magnete beeinträchtigen, sondern auch zu mechanischen Ausfällen führen, was Produktionsstillstände und Sicherheitsrisiken zur Folge hat. Daher sind strenge Korrosionsschutzmaßnahmen, wie mehrschichtige Oberflächenbeschichtungen und regelmäßige Wartung, unerlässlich, um den zuverlässigen Betrieb industrieller Magnetanlagen zu gewährleisten.

8. Schlussfolgerung

Ferritmagnete bieten zwar viele Vorteile, sind aber unter bestimmten Umgebungs- und Materialbedingungen korrosionsanfällig. Faktoren wie Umwelteinflüsse (z. B. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und korrosive Gase) und Materialeigenschaften (z. B. Reinheit und Mikrostruktur) beeinflussen das Korrosionsverhalten dieser Magnete entscheidend. Verschiedene Korrosionsarten, wie elektrochemische, chemische und Spannungsrisskorrosion, können die magnetischen Eigenschaften, die mechanische Integrität und das Aussehen von Ferritmagneten erheblich beeinträchtigen. Durch verschiedene Korrosionsschutzmaßnahmen, darunter Oberflächenbeschichtungen, Umgebungsbedingungen sowie Materialauswahl und Designoptimierung, lässt sich die Korrosionsbeständigkeit von Ferritmagneten jedoch effektiv verbessern. Das Verständnis des Korrosionsverhaltens und der Korrosionsschutzmethoden ist essenziell für den erfolgreichen Einsatz von Ferritmagneten in einer Vielzahl von Branchen, von der Automobil- und Unterhaltungselektronik bis hin zu industriellen Anwendungen. Durch die Implementierung geeigneter Korrosionsschutzmaßnahmen lässt sich die Lebensdauer von Ferritmagneten verlängern und ihre zuverlässige Funktion in unterschiedlichen Umgebungen sicherstellen.