Onko Ndfeb-magneetti altis korroosiolle kosteissa tai happamissa ympäristöissä? Kuinka paljon korroosionkestävyyttä voidaan parantaa yleisillä pintakäsittelyprosesseilla (kuten nikkelöinnillä, epoksipinnoituksella)?

1. NdFeB-magneettien korroosioherkkyys

Neodyymirautaboori (NdFeB) -magneetit, vaikka ne tunnetaankin poikkeuksellisesta magneettisesta lujuudestaan, ovat luonnostaan ​​alttiita korroosiolle kosteissa tai happamissa ympäristöissä. Tämä alttius johtuu niiden mikrorakenteesta ja alkuainekoostumuksesta:

• Mikrorakenteellinen haavoittuvuus NdFeB-magneetit koostuvat Nd₂Fe₁₄B-rakeiden matriisista, joita erottavat neodyymipitoiset (Nd) raerajat. Nämä raerajat ovat termodynaamisesti epävakaita ja alttiita hapettumiselle, erityisesti kosteuden tai happamien aineiden läsnä ollessa.
• Sähkökemiallinen aktiivisuus Neodyymin korkea reaktiivisuus (standardielektrodipotentiaali -2,43 V) tekee siitä alttiin anodiselle liukenemiselle syövyttävissä ympäristöissä. Kosteissa olosuhteissa vesimolekyylit adsorboituvat magneetin pintaan muodostaen johtavan elektrolyytin, joka edistää sähkökemiallista korroosiota. Happamat ympäristöt kiihdyttävät tätä prosessia alentamalla pH:ta, mikä lisää magneetin pintaan hyökkäävien vetyionien (H⁺) pitoisuutta.
• Galvaaninen korroosio Kun NdFeB-magneetit ovat kosketuksissa erilaisten metallien (esim. moottoreiden teräskoteloiden) kanssa, voi esiintyä galvaanista korroosiota. Jalompi metalli (esim. teräs) toimii katodina, kun taas NdFeB-magneetti toimii anodina, mikä johtaa kiihtyneeseen paikalliseen korroosioon.

Kokeelliset todisteet :

• Päällystämättömät NdFeB-magneetit pettävät tunneissa suolasumutesteissä (ASTM B117), jotka simuloivat kosteita, suolaisia ​​ympäristöjä. Tämä nopea korroosio johtuu neodyymioksidien ja -hydroksidien muodostumisesta, jotka hilseilevät pois ja altistavat tuoreen metallin lisävaurioille.
• Happamissa liuoksissa (esim. 5 % HCl:ssa) NdFeB-magneettien korroosionopeus on jopa 100 µm/vuosi, huomattavasti korkeampi kuin ruostumattomalla teräksellä (0.1–1 µm/vuosi). Korroosiotuotteita ovat NdCl₃, FeCl₂ ja B₂O₃, jotka liukenevat happoon ja jatkavat hajoamisprosessia.

2. Pintakäsittelyprosessit korroosionkestävyyden parantamiseksi

Korroosion estämiseksi NdFeB-magneetit läpikäyvät erilaisia ​​pintakäsittelyjä, jotka muodostavat suojaavia esteitä, eristävät magneetin syövyttävistä aineista ja parantavat pitkäaikaista kestävyyttä. Yleisimpiä menetelmiä ovat nikkelöinti, epoksipinnoitus ja komposiittikäsittelyt.

A. Nikkelipinnoitus (Ni-Cu-Ni-monikerrosjärjestelmä)

Nikkelipinnoitus on NdFeB-magneettien yleisimmin käytetty pintakäsittely erinomaisen korroosionkestävyytensä, mekaanisen kestävyytensä ja kustannustehokkuutensa ansiosta. Tyypillinen Ni-Cu-Ni-monikerrosjärjestelmä koostuu:

1. Nikkelipohjakerros (4–5 µm) Tarjoaa tarttuvuuden magneetin pintaan ja toimii esteenä kuparin diffuusiolle alustaan.
2. Kuparivälikerros (5–10 µm) Vähentää nikkelipinnoitteen huokoisuutta täyttämällä mikrovaurioita ja parantamalla korroosionkestävyyttä.
3. Nikkelipintakerros (8–10 µm) Muodostaa tiheän, suojaavan esteen kosteutta ja kemikaaleja vastaan. Pintakerros on usein puolikiiltävää tai kirkasta nikkeliä, mikä tarjoaa lisää koristeellisia ja kulutusta kestäviä ominaisuuksia.

Korroosionkestävyyden parantaminen :

• Suolasumutesteissä Ni-Cu-Ni-pinnoitetut NdFeB-magneetit osoittavat korroosionkestävyyttä  500–1 000 tuntia  ennen kuin punainen ruoste ilmestyy, verrattuna <24 tuntia  pinnoittamattomille magneeteille. Tämä edustaa  20–40-kertainen parannus  kestävyydessä.
• Monikerrosrakenne vähentää reikäkorroosion todennäköisyyttä, joka on yleinen vikaantumistapa yksikerroksisissa pinnoitteissa. Kuparivälikerros toimii uhrautuvana anodina, joka suojaa alla olevaa nikkeliä paikallisen pinnoitevaurion sattuessa.
• Nikkelipinnoitus parantaa myös magneetin kestävyyttä rikkiä sisältäville kaasuille (esim. H₂S), jotka voivat aiheuttaa tummumista ja hajoamista pinnoittamattomissa magneeteissa.

B. Epoksipinnoite

Epoksipinnoitteet ovat lämpökovettuvia polymeerejä, jotka tarjoavat poikkeuksellisen kemikaalienkestävyyden, lämmönkestävyyden ja ympäristön kestävyyden. Niitä käytetään laajalti meri-, auto- ja teollisuussovelluksissa, joissa NdFeB-magneetit altistuvat ankarille olosuhteille.

Tärkeimmät ominaisuudet :

• Kemiallinen kestävyys Epoksipinnoitteet kestävät happoja (esim. HCl, H₂SO₄), emäksiä (esim. NaOH) ja orgaanisia liuottimia (esim. asetonia, etanolia). Tämä tekee niistä ihanteellisia käytettäväksi kemianteollisuuden laitoksissa tai offshore-öljyn- ja kaasunporauslautoilla.
• Lämpöstabiilius Korkean lämpötilan epoksipinnoitteet kestävät jatkuvia käyttölämpötiloja jopa  200°C  ja huippulämpötilat  380°C  ilman hajoamista. Tämä ylittää useimpien NdFeB-magneettilaatujen (esim. N-laatu) suurimman käyttölämpötilan: 80°C, AH-luokka: 230°C).
• Suolasumun kestävyys Epoksipäällysteiset NdFeB-magneetit kestävät >1 000 tuntia  suolasumutesteissä ilman korroosiota, suoriutuen nikkelipäällysteisiä magneetteja paremmin meriympäristöissä.
• Mekaaniset ominaisuudet Epoksipinnoitteet ovat kovia, kulutusta ja iskuja kestäviä, ja ne suojaavat magneettia fyysisiltä vaurioilta käsittelyn tai käytön aikana.

Sovellusesimerkki :

• Merivoimien propulsiojärjestelmissä epoksipäällysteisiä NdFeB-magneetteja käytetään sähköveneiden kestomagneettimoottoreissa (PMM). Pinnoitteet estävät meriveden aiheuttamaa korroosiota ja pidentävät moottorin käyttöikää >20 vuotta verrattuna <5 vuotta  pinnoittamattomille magneeteille.

C. Komposiittikäsittelyt (Ni-Cu-Ni + epoksi)

Synergististen hyötyjen saavuttamiseksi NdFeB-magneetteja käsitellään usein nikkelipinnoituksen ja epoksipinnoitteen yhdistelmällä. Tämä lähestymistapa hyödyntää nikkelin korroosionkestävyyttä ja epoksin kemiallista kestävyyttä.

Prosessin kulku :

1. Nikkelipinnoitus Magneetti pinnoitetaan ensin Ni-Cu-Ni-monikerrosjärjestelmällä johtavan ja korroosionkestävän pohjan aikaansaamiseksi.
2. Epoksipinnoite Nikkelipinnoitteen päälle levitetään epoksihartsikerros kastamalla, ruiskuttamalla tai sähköstaattisen pinnoituksen avulla. Pinnoite kovetetaan sitten  150–200°C  muodostaen silloitetun polymeeriverkon.

Suorituskyvyn edut :

• Parannettu korroosionkestävyys Komposiittipinnoite kestää >2 000 tuntia  suolasumutesteissä, mikä tekee siitä sopivan äärimmäisiin olosuhteisiin, kuten merituuliturbiineihin tai suolanpoistolaitoksiin.
• Parempi tarttuvuus Nikkelipinnoitus muodostaa karkean ja huokoisen pinnan, joka parantaa mekaanista lukitusta epoksipinnoitteen kanssa ja vähentää delaminaation riskiä.
• Sähköeristys Epoksikerros eristää magneetin johtavasta väliaineesta estäen galvaanisen korroosion monimetallikokoonpanoissa.

3. Pintakäsittelyjen vertaileva analyysi

Pintakäsittelyn valinta riippuu sovelluksen erityisvaatimuksista, mukaan lukien korroosion vakavuudesta, käyttölämpötilasta ja kustannusrajoituksista.

Keskeiset tiedot :

• Nikkelipinnoitus  tarjoaa kustannustehokkaan ratkaisun kohtalaiseen korroosioon johtaviin ympäristöihin (esim. sisätiloissa käytettävät teollisuusympäristöt).
• Epoksipinnoitteet  niitä suositaan vaativissa kemikaali- tai meriympäristöissä, joissa pitkäaikainen kestävyys on kriittistä.
• Komposiittikäsittelyt  sopivat erinomaisesti äärimmäisiin olosuhteisiin, joissa vaaditaan sekä korroosion- että lämpötilankestoa, vaikkakin korkeammilla kustannuksilla.

4. Tulevaisuuden suunnat

Tutkimusta jatketaan kehittyneiden pintakäsittelyjen kehittämiseksi, jotka parantavat entisestään NdFeB-magneettien korroosionkestävyyttä ja samalla vähentävät kustannuksia. Lupaavia lähestymistapoja ovat mm.:

• Nanokomposiittipinnoitteet Nanopartikkelien (esim. SiO₂, TiO₂) sisällyttäminen epoksi- tai nikkelipinnoitteisiin suojaominaisuuksien ja itsekorjauskyvyn parantamiseksi.
• Atomikerroskasvatus (ALD) Erittäin ohuiden (nanometrin kokoisten) oksidikerrosten (esim. Al₂O₃, TiO₂) kerrostaminen neulanreikävapaata korroosiosuojausta varten.
• Biohajoavat pinnoitteet Ympäristöystävällisten pinnoitteiden kehittäminen luonnonpolymeereihin (esim. kitosaani, ligniini) perustuen kestäviä sovelluksia varten.

5. Johtopäätös

NdFeB-magneetit ovat erittäin alttiita korroosiolle kosteissa tai happamissa ympäristöissä reaktiivisen mikrorakenteensa vuoksi. Pintakäsittelyt, kuten nikkelipinnoitus, epoksipinnoitus ja komposiittikäsittelyt, voivat kuitenkin parantaa merkittävästi niiden korroosionkestävyyttä ja pidentää niiden käyttöikää.  20–100x  hoitomenetelmästä riippuen. Valitsemalla sopivan pintakäsittelyn käyttötarkoituksen vaatimusten perusteella insinöörit voivat varmistaa NdFeB-magneettien luotettavan suorituskyvyn jopa haastavimmissa ympäristöissä.