De impact van zoutnevel op magneten

Magneten, als kritische componenten in talloze industriële en consumententoepassingen, worden vaak blootgesteld aan zware omgevingsomstandigheden, waaronder zoutnevelomgevingen. De zoutnevelomgeving, gekenmerkt door een hoge luchtvochtigheid en de aanwezigheid van corrosieve zoutionen, vormt een aanzienlijke uitdaging voor de prestaties en levensduur van magneten. Dit artikel onderzoekt de impact van zoutnevelomgevingen op magneten, met de nadruk op de corrosiemechanismen, de invloed op magnetische eigenschappen, de rol van beschermende coatings en de testmethoden die worden gebruikt om de prestaties van magneten onder dergelijke omstandigheden te evalueren. Door een uitgebreid overzicht van bestaand onderzoek en industriële praktijken biedt dit artikel inzicht in de uitdagingen en oplossingen die gepaard gaan met het gebruik van magneten in zoutnevelomgevingen.

1. Inleiding

Magneten, of ze nu permanent of elektromagnetisch zijn, spelen een cruciale rol in diverse sectoren, waaronder de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, hernieuwbare energie en consumentenelektronica. Hun vermogen om magnetische velden te genereren en in stand te houden, stelt ze in staat essentiële functies uit te voeren, zoals energieopwekking, aandrijving, detectie en gegevensopslag. De prestaties van magneten kunnen echter aanzienlijk worden beïnvloed door omgevingsfactoren, waarbij zoutnevel een van de meest schadelijke is. Zoutnevelomgevingen, die vaak worden aangetroffen in kustgebieden, maritieme toepassingen en industriële omgevingen waar zout wordt gebruikt voor ijsbestrijding of chemische processen, stellen magneten bloot aan een combinatie van hoge luchtvochtigheid en corrosieve zoutionen, wat leidt tot versnelde degradatie en uitval. Inzicht in de impact van zoutnevelomgevingen op magneten is cruciaal voor het ontwerpen van betrouwbare en duurzame magnetische systemen die bestand zijn tegen zware omstandigheden.

2. Corrosiemechanismen in zoutnevelomgevingen

2.1 Elektrochemische corrosie

Het primaire corrosiemechanisme in zoutnevelomgevingen is elektrochemische corrosie. Wanneer een magneet wordt blootgesteld aan een zoutoplossing, vergemakkelijken de geleidende zoutionen de elektronenstroom tussen verschillende delen van de magneet, wat leidt tot oxidatie- en reductiereacties. In het geval van neodymium-ijzer-borium (NdFeB) magneten bijvoorbeeld, die veel worden gebruikt vanwege hun hoge magnetische sterkte, kan de aanwezigheid van water en zoutionen ervoor zorgen dat de rijke neodymium (Nd-rijke) fasen aan de korrelgrenzen reageren en neodymiumhydroxide (Nd(OH)₃) vormen. Deze reactie gaat gepaard met een aanzienlijke volumetoename, wat interne spanningen genereert en uiteindelijk leidt tot scheuren en afbrokkeling van het magneetoppervlak. Het elektrochemische corrosieproces wordt verder versneld door de aanwezigheid van zuurstof, dat als oxidatiemiddel werkt en de oxidatie van metaalatomen bevordert.

2.2 Putcorrosie

Putcorrosie is een andere veelvoorkomende vorm van corrosie die wordt waargenomen bij magneten die worden blootgesteld aan zoutnevel. Putcorrosie treedt op wanneer lokale delen van het magneetoppervlak anodisch worden ten opzichte van de omgeving, wat leidt tot de vorming van kleine putjes of gaatjes. Deze putjes kunnen diep in de magneet doordringen, waardoor de structurele integriteit en magnetische eigenschappen ervan in gevaar komen. Putcorrosie wordt vaak geïnitieerd door defecten of insluitsels in het magneetmateriaal of de beschermende coating, die plaatsen bieden voor de concentratie van corrosieve stoffen.

2.3 Spleetcorrosie

Spleetcorrosie treedt op in nauwe openingen of spleten op het magneetoppervlak, zoals die tussen de magneet en de houder of behuizing. In deze beperkte ruimten kan de concentratie van zoutionen en zuurstof aanzienlijk variëren, waardoor er plaatselijke elektrochemische cellen ontstaan ​​die corrosie bevorderen. Spleetcorrosie kan met name problematisch zijn in magneetassemblages waar nauwe toleranties vereist zijn, omdat het kan leiden tot het losraken van componenten en uitval van het magneetsysteem.

3. Invloed van de zoutnevelomgeving op magnetische eigenschappen

3.1 Vermindering van de magnetische fluxdichtheid

Een van de belangrijkste effecten van zoutnevelcorrosie op magneten is de afname van de magnetische fluxdichtheid (B). Naarmate het magneetoppervlak corrodeert, vormen zich corrosieproducten, zoals hydroxiden en oxiden, waardoor een niet-magnetische laag ontstaat die als barrière voor het magnetische veld fungeert. Deze barrière verkleint de effectieve dwarsdoorsnede van de magneet waardoor de magnetische flux kan passeren, wat leidt tot een afname van B. De afname van B kan met name merkbaar zijn bij magneten met een dunne beschermende coating of bij magneten die langdurig worden blootgesteld aan zoutnevel.

3.2 Afname van de coërciviteit

Coërciviteit (Hc), een maatstaf voor de weerstand van een magneet tegen demagnetisatie, kan ook worden beïnvloed door zoutnevelcorrosie. Door corrosie veroorzaakte schade aan de microstructuur van de magneet, zoals scheurvorming en degradatie van de korrelgrenzen, kan de uitlijning van magnetische domeinen verstoren, waardoor de magneet gemakkelijker kan worden gedemagnetiseerd door externe velden of mechanische spanning. Hierdoor neemt de coërciviteit van de magneet af, waardoor het vermogen om zijn magnetische eigenschappen onder ongunstige omstandigheden te behouden, afneemt.

3.3 Veranderingen in magnetische anisotropie

Magnetische anisotropie, wat verwijst naar de richtingsafhankelijkheid van de magnetische eigenschappen van een magneet, kan ook worden beïnvloed door zoutnevelcorrosie. Door corrosie veroorzaakte oppervlakteruwheid en de vorming van corrosieproducten kunnen de magnetische veldverdeling binnen de magneet veranderen, wat leidt tot veranderingen in het anisotrope gedrag. Deze veranderingen kunnen de prestaties beïnvloeden van magnetische systemen die afhankelijk zijn van nauwkeurige controle over de magnetische veldoriëntatie, zoals motoren en sensoren.

4. De rol van beschermende coatings bij het verminderen van zoutnevelcorrosie

4.1 Traditionele beschermende coatings

Om magneten te beschermen tegen zoutnevelcorrosie zijn diverse beschermende coatings ontwikkeld en toegepast. Traditionele coatings zijn onder andere nikkel-koper-nikkel (Ni-Cu-Ni), zink (Zn) en epoxyhars. Deze coatings vormen een fysieke barrière tussen het magneetoppervlak en de corrosieve omgeving, waardoor direct contact van zoutionen en water met het magneetmateriaal wordt voorkomen. Ni-Cu-Ni-coatings worden met name veel gebruikt vanwege hun uitstekende corrosiebestendigheid en hechtingseigenschappen. Traditionele coatings hebben echter beperkingen, vooral bij langdurige blootstelling aan extreme zoutnevelomstandigheden. Na verloop van tijd kunnen deze coatings degraderen, wat leidt tot de vorming van gaatjes, scheuren en delaminatie, waardoor hun beschermende functie in gevaar komt.

4.2 Geavanceerde beschermende coatings

Om de beperkingen van traditionele coatings te overwinnen, hebben onderzoekers geavanceerde beschermende coatings ontwikkeld met verbeterde corrosiebestendigheid en duurzaamheid. Een voorbeeld hiervan is de zelfherstellende coating, die mechanische krassen kan repareren en de oppervlaktefunctionaliteit autonoom kan herstellen. In een studie ontwikkelden onderzoekers een nieuwe zelfherstellende coating voor NdFeB-magneten die een uitzonderlijke corrosiebestendigheid vertoonde, zonder waarneembare corrosie, zelfs na 136 dagen onderdompeling in een zoutwateroplossing van 3,5 gewichtsprocent. Deze coating vertoonde ook anti-ijsvormingseigenschappen, waardoor ijsvorming werd vertraagd en de ijshechting bij lage temperaturen afnam, waardoor deze geschikt is voor toepassingen in extreme omgevingen.

Een andere geavanceerde coatingtechnologie is de paryleencoating, die uitstekende bescherming biedt tegen corrosie, vocht en chemicaliën. Paryleencoatings worden aangebracht via een dampdepositieproces, wat resulteert in een dunne, uniforme en conforme laag die stevig hecht aan het magneetoppervlak. Paryleencoatings bieden aantoonbaar langdurige corrosiebescherming voor magneten, zelfs in zeer corrosieve omgevingen. Paryleencoatings kunnen echter duur zijn en de hechting van etiketten of andere componenten aan het magneetoppervlak verminderen.

4.3 Coatingdikte en prestaties

De dikte van de beschermende coating speelt een cruciale rol bij het bepalen van de corrosiebestendigheid en de algehele prestaties. Dikkere coatings bieden over het algemeen een betere bescherming tegen corrosie, omdat ze een stevigere barrière vormen tegen de corrosieve omgeving. Het vergroten van de coatingdikte kan echter ook nadelen hebben, zoals hogere kosten, verminderde magnetische prestaties (door de introductie van een niet-magnetische laag) en mogelijke problemen met de hechting en uniformiteit van de coating. Daarom is het essentieel om de coatingdikte te optimaliseren om een ​​balans te bereiken tussen corrosiebescherming en magnetische prestaties.

5. Testmethoden voor het evalueren van de magneetprestaties in zoutnevelomgevingen

5.1 Zoutsproeitest (SST)

De zoutneveltest, ook wel neveltest genoemd, is een veelgebruikte gestandaardiseerde testmethode voor het evalueren van de corrosiebestendigheid van materialen, waaronder magneten, in gesimuleerde zoutnevelomgevingen. De test omvat het blootstellen van de magneetmonsters aan een continue of onderbroken nevel van een zoutoplossing, meestal een 5% natriumchloride (NaCl)-oplossing, bij een gecontroleerde temperatuur en vochtigheid. De duur van de test kan variëren, afhankelijk van de specifieke eisen en normen, van enkele uren tot enkele duizenden uren. De prestaties van de magneet worden beoordeeld op basis van het uiterlijk van corrosieproducten, zoals roest of witte corrosie, en de mate van oppervlakteschade.

5.2 Versnelde corrosietesten

Naast de standaard zoutneveltest zijn er versnelde corrosietesten ontwikkeld om zwaardere of langdurige corrosieomstandigheden in een kortere periode te simuleren. Deze testen omvatten de azijnzuurzoutneveltest (AASS) en de koperversnelde azijnzuurzoutneveltest (CASS). Bij de AASS-test wordt azijnzuur aan de zoutoplossing toegevoegd om de agressiviteit te verhogen, terwijl de CASS-test de corrosie verder versnelt door koperchloride (CuCl₂) aan de oplossing toe te voegen. Deze versnelde testen zijn nuttig om snel de corrosiebestendigheid van magneten te evalueren en de prestaties van verschillende beschermende coatings of materialen te vergelijken.

5.3 In-situ corrosiebewaking

In-situ corrosiemonitoringtechnieken, zoals elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) en potentiodynamische polarisatie, kunnen realtime informatie verschaffen over het corrosiegedrag van magneten in zoutnevelomgevingen. EIS meet de elektrische impedantie van de magneet-elektrolytinterface als functie van de frequentie, wat corrosieprocessen kan detecteren en de coatingprestaties kan evalueren. Potentiodynamische polarisatie omvat het aanleggen van een variërend potentiaal op de magneet en het meten van de resulterende stroom, wat informatie oplevert over de corrosiesnelheid en de betrokken elektrochemische mechanismen. Deze in-situ technieken zijn waardevol voor het begrijpen van de corrosiedynamiek van magneten en het optimaliseren van hun ontwerp en beschermingsstrategieën.

6. Praktische toepassingen en casestudies

6.1 Maritieme toepassingen

Magneten worden veel gebruikt in maritieme toepassingen, zoals scheepsvoortstuwingssystemen, onderwatervoertuigen en offshore windturbines, waar ze worden blootgesteld aan extreme zoutnevelomgevingen. In deze toepassingen is de corrosiebestendigheid van magneten cruciaal voor betrouwbare en langdurige prestaties. Zo worden NdFeB-magneten in scheepsvoortstuwingssystemen gebruikt in permanente magneetmotoren, die een hoge efficiëntie en een compact ontwerp bieden. Om deze magneten te beschermen tegen zoutnevelcorrosie, worden geavanceerde beschermende coatings, zoals zelfherstellende coatings of paryleencoatings, aangebracht. Deze coatings blijken de levensduur van magneten in maritieme omgevingen aanzienlijk te verlengen, waardoor de onderhoudskosten dalen en de betrouwbaarheid van het systeem verbetert.

6.2 Automobieltoepassingen

In de auto-industrie worden magneten gebruikt in diverse componenten, waaronder elektromotoren, sensoren en actuatoren. Met de toenemende populariteit van elektrische voertuigen (EV's) groeit de vraag naar hoogwaardige magneten die bestand zijn tegen zware bedrijfsomstandigheden, waaronder blootstelling aan zoutnevel. Zo worden NdFeB-magneten in EV-tractiemotoren blootgesteld aan hoge temperaturen, trillingen en corrosie door zoutnevel als gevolg van strooizout dat wordt gebruikt voor dooidoeleinden. Om deze uitdagingen aan te gaan, ontwikkelen autofabrikanten magneten met een verbeterde corrosiebestendigheid, zoals magneten met geavanceerde beschermende coatings of legeringmodificaties. Deze magneten hebben een verbeterde duurzaamheid en prestaties aangetoond in praktische autotoepassingen.

6.3 Lucht- en ruimtevaarttoepassingen

Lucht- en ruimtevaarttoepassingen, zoals vliegtuigmotoren, navigatiesystemen en satellietcomponenten, vereisen ook magneten met een hoge corrosiebestendigheid vanwege de blootstelling aan zoutnevel en andere zware omgevingsomstandigheden tijdens de vlucht of in een baan om de aarde. In vliegtuigmotoren worden magneten bijvoorbeeld gebruikt in diverse sensoren en actuatoren die cruciaal zijn voor de motorregeling en -bewaking. Om de betrouwbaarheid van deze magneten te garanderen, passen fabrikanten in de lucht- en ruimtevaart strenge corrosietests en kwalificatieprocessen toe, waaronder zoutneveltests en versnelde corrosietests. Daarnaast worden geavanceerde beschermende coatings en materialen met inherente corrosiebestendigheid gebruikt om magneten in lucht- en ruimtevaarttoepassingen te beschermen.

7. Conclusie

De zoutnevelomgeving vormt een aanzienlijke uitdaging voor de prestaties en levensduur van magneten, voornamelijk door elektrochemische corrosiemechanismen die leiden tot de vorming van corrosieproducten, vermindering van magnetische eigenschappen en structurele schade. Om deze effecten te beperken, zijn diverse beschermende coatings ontwikkeld en toegepast, variërend van traditionele tot geavanceerde zelfherstellende en paryleencoatings. Testmethoden, zoals zoutneveltesten, versnelde corrosietesten en in-situ corrosiebewakingstechnieken, zijn essentieel voor het evalueren van de corrosieweerstand van magneten en het optimaliseren van hun ontwerp en beschermingsstrategieën. Praktische toepassingen in de maritieme, automobiel- en lucht- en ruimtevaartsector tonen het belang aan van corrosiebestendige magneten voor het garanderen van betrouwbare en duurzame prestaties in zware omstandigheden. Naarmate de technologie vordert, richten voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen zich op het verbeteren van de corrosieweerstand van magneten door middel van materiaalinnovatie, coatingtechnologie en testmethodologieën, waardoor ze breder inzetbaar worden in uitdagende toepassingen.