Postupci površinske obrade za AlNiCo magnete: pasivizacija, elektroforeza i galvanizacija te razlike u njihovoj otpornosti na koroziju

1. Uvod

Aluminij-nikal-kobalt (AlNiCo) magneti su trajni magneti s izvrsnim magnetskim svojstvima, uključujući visoku Curiejevu temperaturu, dobru toplinsku stabilnost i visoku koercitivnost. Široko se koriste u senzorima, motorima, magnetskim separatorima i preciznim instrumentima. Međutim, zbog svog metalnog sastava, AlNiCo magneti su osjetljivi na koroziju, posebno u vlažnim ili agresivnim okruženjima, što može smanjiti njihove magnetske performanse i mehanički integritet. Procesi površinske obrade ključni su za poboljšanje njihove otpornosti na koroziju, poboljšanje trajnosti i održavanje njihovih magnetskih svojstava. Ovaj članak razmatra tri primarne metode površinske obrade za AlNiCo magnete - pasivizaciju, elektroforezu i galvanizaciju - te uspoređuje njihove razlike u otpornosti na koroziju.

2. Postupci površinske obrade za AlNiCo magnete

2.1 Pasivizacija

2.1.1 Definicija i mehanizam

Pasivizacija je kemijski ili elektrokemijski proces koji stvara tanki, zaštitni oksidni sloj na površini metala, značajno smanjujući njegovu brzinu korozije. Za AlNiCo magnete, pasivizacija obično uključuje tretiranje površine oksidacijskim sredstvom (npr. dušičnom kiselinom, kromnom kiselinom ili limunskom kiselinom) kako bi se stvorio stabilan oksidni film. Pasivacijski sloj djeluje kao barijera, sprječavajući korozivne tvari (npr. vodu, kisik, kloride) da dopru do temeljnog metala.

2.1.2 Koraci procesa

1. Čišćenje : Površina AlNiCo magneta čisti se alkalnim ili kiselim sredstvima za čišćenje kako bi se uklonila ulja, masti i ostali onečišćujući materijali.
2. Ispiranje : Očišćena površina se ispire deioniziranom vodom kako bi se uklonili ostaci sredstava za čišćenje.
3. Pasivizacijski tretman : Magnet se uranja u otopinu za pasivizaciju (npr. 10–20% dušičnu kiselinu) na kontroliranoj temperaturi (obično 20–60 °C) tijekom određenog vremena (5–30 minuta).
4. Završno ispiranje : Pasivizirana površina se ponovno ispire kako bi se uklonila preostala otopina za pasivizaciju.
5. Sušenje : Magnet se suši vrućim zrakom ili u pećnici kako bi se osiguralo potpuno uklanjanje vlage.

2.1.3 Prednosti

• Jednostavan postupak : Pasivizacija je relativno jednostavna za izvođenje i ne zahtijeva složenu opremu.
• Isplativo : To je jeftinija metoda površinske obrade u usporedbi s galvanizacijom ili elektroforezom.
• Ekološki prihvatljivo : Moderne otopine za pasivizaciju (npr. na bazi limunske kiseline) manje su opasne od tradicionalnih otopina na bazi kromne kiseline.

2.1.4 Ograničenja

• Tanki zaštitni sloj : Pasivacijski sloj je obično debeo samo nekoliko nanometara, što pruža ograničenu zaštitu u vrlo korozivnim okruženjima.
• Ograničene mogućnosti boja : Pasivizacija ne pruža nikakvu dekorativnu završnu obradu; površina ostaje metalna.
• Nije prikladno za sva okruženja : U agresivnim okruženjima (npr. visoka vlažnost, slana magla), pasivizacija možda neće pružiti dovoljnu zaštitu te mogu biti potrebni dodatni premazi.

2.2 Elektroforeza (elektroforetsko taloženje, EPD)

2.2.1 Definicija i mehanizam

Elektroforeza je postupak nanošenja površinskog premaza koji koristi električno polje za nanošenje nabijenih čestica (npr. boje, smole ili keramike) na vodljivu podlogu. Za AlNiCo magnete, elektroforeza obično uključuje premazivanje površine epoksidnom ili akrilnom smolom kako bi se stvorio jednoličan, zaštitni film. Postupak uključuje uranjanje magneta u kupku koja sadrži nabijene čestice i primjenu istosmjernog napona (DC), što uzrokuje migraciju čestica prema magnetu i taloženje na njegovoj površini.

2.2.2 Koraci procesa

1. Prethodna obrada : Površina AlNiCo magneta se čisti i priprema (npr. odmašćuje, jetka ili pasivizira) kako bi se osiguralo dobro prianjanje elektroforetskog premaza.
2. Elektroforetski premaz : Magnet se uranja u elektroforetsku kupelj koja sadrži nabijene čestice smole. Istosmjerni napon (obično 50–300 V) primjenjuje se između magneta (katode) i anode, što uzrokuje migraciju čestica smole i taloženje na površini magneta.
3. Ispiranje : Obloženi magnet se ispire deioniziranom vodom kako bi se uklonile sve nevezane čestice smole.
4. Stvrdnjavanje : Obloženi magnet peče se u pećnici na određenoj temperaturi (obično 150–200 °C) tijekom određenog vremena (20–60 minuta) kako bi se smola stvrdnula i stvorio tvrdi, zaštitni film.

2.2.3 Prednosti

• Ujednačen premaz : Elektroforeza osigurava ujednačenu debljinu premaza, čak i na dijelovima složenog oblika.
• Izvrsna otpornost na koroziju : Očvrsli film smole pruža dobru zaštitu od vlage, kemikalija i slane magle.
• Dekorativna završna obrada : Elektroforetski premazi dostupni su u raznim bojama, pružajući i zaštitu i estetiku.
• Ekološki prihvatljivo : Moderni elektroforetski premazi imaju nizak sadržaj hlapljivih organskih spojeva (VOC) i u skladu su s propisima o zaštiti okoliša.

2.2.4 Ograničenja

• Trošak opreme : Elektroforeza zahtijeva specijaliziranu opremu, uključujući napajanje, kupku za premazivanje i peć za sušenje, što može biti skupo.
• Složenost procesa : Proces uključuje više koraka (predobrada, premazivanje, ispiranje, stvrdnjavanje), što zahtijeva pažljivu kontrolu parametara (napon, temperatura, vrijeme).
• Ograničena debljina : Elektroforetski premazi su obično debeli 20–50 μm, što možda nije dovoljno za izuzetno teške uvjete okoline.

2.3 Galvanizacija

2.3.1 Definicija i mehanizam

Galvanizacija je postupak kojim se tanki sloj metala (npr. nikla, kroma, cinka ili zlata) nanosi na površinu vodljive podloge pomoću elektrolitičke otopine. Za AlNiCo magnete, galvanizacija se obično koristi za poboljšanje otpornosti na koroziju, otpornosti na habanje i izgleda. Postupak uključuje uranjanje magneta u elektrolitsku kupku koja sadrži metalne ione i primjenu istosmjerne struje, što uzrokuje redukciju metalnih iona i njihovo taloženje na površinu magneta.

2.3.2 Koraci procesa

1. Prethodna obrada : Površina AlNiCo magneta se čisti (npr. odmašćuje, nagriza kiselinom ili polira) kako bi se uklonile nečistoće i osiguralo dobro prianjanje nanesenog sloja.
2. Galvanizacija : Magnet se uranja u elektrolitsku kupku koja sadrži metalne ione (npr. nikal sulfat za niklanje). Primjenjuje se istosmjerna struja, što uzrokuje taloženje metalnih iona na površini magneta.
3. Ispiranje : Obloženi magnet se ispire deioniziranom vodom kako bi se uklonio preostali elektrolit.
4. Naknadna obrada : Premazana površina može se podvrgnuti dodatnim obradama (npr. pasivizaciji, poliranju ili brtvljenju) kako bi se poboljšala otpornost na koroziju ili izgled.

2.3.3 Uobičajeni galvanizirani premazi za AlNiCo magnete

• Niklanje : Nikal pruža dobru otpornost na koroziju i široko se koristi za AlNiCo magnete. Može se dodatno poboljšati kromiranim završnim premazom za poboljšanu otpornost na habanje i koroziju.
• Kromiranje : Krom nudi izvrsnu otpornost na koroziju i sjajan, dekorativni završetak. Međutim, šesterovalentni krom (Cr⁶⁺) je toksičan i njegova je upotreba ograničena u mnogim regijama.
• Cinčanje : Cink pruža žrtvenu zaštitu temeljnom metalu, ali je manje izdržljiv od nikla ili kroma i obično se koristi za unutarnju primjenu.
• Pozlaćivanje : Zlato nudi izvrsnu otpornost na koroziju i koristi se za vrhunske primjene gdje su važni i zaštita i estetika. Međutim, skupo je i ne koristi se često za AlNiCo magnete.

2.3.4 Prednosti

• Izvrsna otpornost na koroziju : Elektroplatirani premazi (posebno nikal i krom) pružaju vrhunsku zaštitu od korozije, čak i u teškim uvjetima.
• Dekorativna završna obrada : Galvanizacija može pružiti svijetlu, reflektirajuću površinu, poboljšavajući izgled AlNiCo magneta.
• Prilagodljiva debljina : Debljina galvaniziranog sloja može se kontrolirati (obično 5–50 μm) kako bi se zadovoljili specifični zahtjevi.

2.3.5 Ograničenja

• Problemi za okoliš : Neki procesi galvanizacije (npr. šesterovalentno kromiranje) uključuju opasne kemikalije i zahtijevaju strogo zbrinjavanje otpada.
• Visoka cijena : Galvanizacija može biti skupa zbog troškova metalnih soli, potrošnje energije i obrade otpada.
• Vodikova krhkost : Galvanizacija može unijeti vodik u metal, što dovodi do krhkosti i smanjenih mehaničkih svojstava. To je posebno važno za magnete visoke čvrstoće.

3. Usporedba otpornosti na koroziju različitih površinskih obrada

Otpornost AlNiCo magneta na koroziju ovisi o vrsti primijenjene površinske obrade. Sljedeća tablica sažima otpornost na koroziju pasivizacije, elektroforeze i galvanizacije u različitim okruženjima:

3.1 Vlažna okolina

• Pasivizacija : Tanki oksidni sloj pruža ograničenu zaštitu u vlažnim okruženjima. Vremenom vlaga može prodrijeti u sloj i uzrokovati koroziju, posebno ako okoliš sadrži onečišćujuće tvari (npr. sumporni dioksid).
• Elektroforeza : Premaz od epoksidne ili akrilne smole pruža dobru zaštitu od vlage, sprječavajući koroziju dulje vrijeme.
• Galvanizacija : Nikalni i kromirani premazi nude izvrsnu zaštitu u vlažnim okruženjima zbog svoje guste, neporozne strukture.

3.2 Okruženje slane magle

• Pasivizacija : Pasivizirani AlNiCo magneti nisu prikladni za dugotrajno izlaganje slanoj magli, jer kloridni ioni mogu brzo prodrijeti u tanki oksidni sloj i uzrokovati koroziju.
• Elektroforeza : Elektroforetski premazi su vrlo otporni na slanu maglu i mogu zaštititi magnet tisućama sati u testovima slane magle (npr. ASTM B117).
• Galvanizacija : Nikalni i kromirani premazi pružaju vrhunsku zaštitu od slane magle, a neki premazi traju više od 10 000 sati u testovima slane magle bez znakova korozije.

3.3 Kemijsko okruženje

• Pasivizacija : Pasivacijski sloj nije otporan na jake kiseline ili baze i lako se otopi, što dovodi do korozije podložnog metala.
• Elektroforeza : Elektroforetski premazi otporni su na blage kemikalije (npr. ulja, otapala), ali se mogu razgraditi u jakim kiselinama ili bazama.
• Galvanizacija : Nikalni i kromirani premazi nude izvrsnu otpornost na većinu kemikalija, uključujući kiseline, baze i otapala, što ih čini idealnim za teške industrijske uvjete.

3.4 Trajnost

• Pasivizacija : Sloj pasivizacije sklon je trošenju i lako se može ogrebati ili ukloniti, što smanjuje njegov zaštitni učinak.
• Elektroforeza : Elektroforetski premazi su trajniji od pasivizacije, ali se i dalje mogu ogrebati ili okrhnuti, izlažući temeljni metal koroziji.
• Galvanizacija : Galvanizirani premazi su vrlo izdržljivi i otporni na habanje, abraziju i udarce, pružajući dugotrajnu zaštitu.

3.5 Trošak

• Pasivizacija : Pasivizacija je najjeftinija metoda površinske obrade, što je čini prikladnom za cjenovno osjetljive primjene gdje je prihvatljiva umjerena otpornost na koroziju.
• Elektroforeza : Elektroforeza ima umjerenu cijenu, nudeći dobru ravnotežu između cijene i performansi za mnoge industrijske primjene.
• Galvanizacija : Galvanizacija je najskuplja metoda površinske obrade zbog troškova metalnih soli, potrošnje energije i obrade otpada. Međutim, pruža najvišu razinu zaštite i trajnosti.

4. Preporuke za odabir površinske obrade

Izbor površinske obrade za AlNiCo magnete ovisi o specifičnim zahtjevima primjene, uključujući radno okruženje, željeni vijek trajanja i proračunska ograničenja. Sljedeće preporuke mogu pomoći u procesu odabira:

4.1 Za unutarnje ili blago vanjske uvjete

• Pasivizacija : Pogodno za primjene gdje su zahtjevi za otpornost na koroziju umjereni, a cijena je primarna briga. Primjeri uključuju potrošačku elektroniku, senzore i magnetske separatore koji rade u suhim okruženjima.
• Elektroforeza : Poželjna je za primjene koje zahtijevaju bolju otpornost na koroziju i dekorativnu završnu obradu. Primjeri uključuju automobilske komponente, uredsku opremu i industrijske strojeve.

4.2 Za teške vanjske ili morske uvjete

• Galvanizacija (nikal/krom) : Preporučuje se za primjene izložene slanoj magli, visokoj vlažnosti ili agresivnim kemikalijama. Primjeri uključuju pomorsku opremu, platforme na moru i opremu za kemijsku obradu.
• Elektroforeza s gornjim premazom : Alternativa galvanizaciji, gdje se gornji premaz (npr. poliuretan) nanosi preko elektroforetskog premaza kako bi se poboljšala otpornost na koroziju i trajnost.

4.3 Za visokoučinkovite ili kritične primjene

• Galvanizacija (nikal/krom) : Najbolji izbor za primjene koje zahtijevaju najvišu razinu otpornosti na koroziju, trajnosti i izgleda. Primjeri uključuju zrakoplovne komponente, medicinske uređaje i precizne instrumente.
• Višeslojni premazi : Za ekstremne uvjete, kombinacija površinskih obrada (npr. pasivizacija + elektroforeza + galvanizacija) može se koristiti za postizanje sinergijske zaštite.

5. Zaključak

Površinska obrada je ključna za poboljšanje otpornosti AlNiCo magneta na koroziju i osiguranje njihove dugoročne učinkovitosti u različitim okruženjima. Pasivizacija, elektroforeza i galvanizacija su tri široko korištene metode površinske obrade, svaka sa svojim prednostima i ograničenjima. Pasivizacija je isplativa opcija za blaga okruženja, ali nudi ograničenu zaštitu u agresivnim uvjetima. Elektroforeza pruža dobru ravnotežu između cijene i učinkovitosti, nudeći ujednačenu otpornost na koroziju i dekorativni završetak. Galvanizacija, posebno niklom ili kromom, nudi najvišu razinu zaštite i trajnosti, što je čini idealnom za teška okruženja i kritične primjene.

Prilikom odabira metode površinske obrade ključno je uzeti u obzir specifične radne uvjete, željeni vijek trajanja i proračunska ograničenja. Odabirom odgovarajuće površinske obrade, proizvođači mogu značajno poboljšati otpornost AlNiCo magneta na koroziju, osiguravajući njihovu pouzdanost i performanse u različitim primjenama.