Procesy povrchovej úpravy magnetov AlNiCo: pasivácia, elektroforéza a galvanické pokovovanie a rozdiely v ich odolnosti voči korózii

1. Úvod

Hliníkovo-nikel-kobaltové (AlNiCo) magnety sú permanentné magnety s vynikajúcimi magnetickými vlastnosťami vrátane vysokej Curieho teploty, dobrej tepelnej stability a vysokej koercivity. Široko sa používajú v senzoroch, motoroch, magnetických separátoroch a presných prístrojoch. Vzhľadom na svoje kovové zloženie sú však magnety AlNiCo náchylné na koróziu, najmä vo vlhkom alebo agresívnom prostredí, čo môže zhoršiť ich magnetický výkon a mechanickú integritu. Procesy povrchovej úpravy sú nevyhnutné na zvýšenie ich odolnosti proti korózii, zlepšenie trvanlivosti a zachovanie ich magnetických vlastností. Tento článok rozoberá tri hlavné metódy povrchovej úpravy magnetov AlNiCo – pasiváciu, elektroforézu a galvanické pokovovanie – a porovnáva ich rozdiely v odolnosti proti korózii.

2. Procesy povrchovej úpravy magnetov AlNiCo

2.1 Pasivácia

2.1.1 Definícia a mechanizmus

Pasivácia je chemický alebo elektrochemický proces, ktorý vytvára na povrchu kovu tenkú ochrannú vrstvu oxidu, čím výrazne znižuje rýchlosť jeho korózie. V prípade magnetov AlNiCo pasivácia zvyčajne zahŕňa ošetrenie povrchu oxidačným činidlom (napr. kyselinou dusičnou, kyselinou chrómovou alebo kyselinou citrónovou) za vzniku stabilného oxidového filmu. Pasivačná vrstva pôsobí ako bariéra, ktorá bráni korozívnym látkam (napr. vode, kyslíku, chloridom) dostať sa k podkladovému kovu.

2.1.2 Kroky procesu

1. Čistenie : Povrch magnetu AlNiCo sa čistí od olejov, mastnoty a iných nečistôt pomocou alkalických alebo kyslých čistiacich prostriedkov.
2. Oplachovanie : Vyčistený povrch sa opláchne deionizovanou vodou, aby sa odstránili zvyšky čistiacich prostriedkov.
3. Pasivačná úprava : Magnet sa ponorí do pasivačného roztoku (napr. 10 – 20 % kyselina dusičná) pri kontrolovanej teplote (zvyčajne 20 – 60 °C) na stanovený čas (5 – 30 minút).
4. Záverečné opláchnutie : Pasivovaný povrch sa opäť opláchne, aby sa odstránil všetok zvyšný pasivačný roztok.
5. Sušenie : Magnet sa suší horúcim vzduchom alebo v peci, aby sa zabezpečilo úplné odstránenie vlhkosti.

2.1.3 Výhody

• Jednoduchý proces : Pasivácia je relatívne jednoduchá na vykonanie a nevyžaduje zložité vybavenie.
• Nákladovo efektívne : Je to lacnejšia metóda povrchovej úpravy v porovnaní s galvanickým pokovovaním alebo elektroforézou.
• Šetrné k životnému prostrediu : Moderné pasivačné roztoky (napr. na báze kyseliny citrónovej) sú menej nebezpečné ako tradičné roztoky na báze kyseliny chrómovej.

2.1.4 Obmedzenia

• Tenká ochranná vrstva : Pasivačná vrstva má zvyčajne hrúbku len niekoľko nanometrov, čo ponúka obmedzenú ochranu vo vysoko korozívnom prostredí.
• Obmedzené možnosti farieb : Pasivácia neposkytuje žiadnu dekoratívnu úpravu; povrch zostáva kovový.
• Nie je vhodné pre všetky prostredia : V agresívnom prostredí (napr. vysoká vlhkosť, soľná hmla) nemusí pasivácia poskytnúť dostatočnú ochranu a môžu byť potrebné ďalšie nátery.

2.2 Elektroforéza (elektroforetická depozícia, EPD)

2.2.1 Definícia a mechanizmus

Elektroforéza je proces nanášania povrchových vrstiev, ktorý využíva elektrické pole na nanášanie nabitých častíc (napr. farby, živice alebo keramiky) na vodivý substrát. V prípade magnetov AlNiCo elektroforéza zvyčajne zahŕňa nanesenie epoxidovej alebo akrylovej živice na povrch, čím sa vytvorí rovnomerný ochranný film. Proces zahŕňa ponorenie magnetu do kúpeľa obsahujúceho nabité častice a aplikáciu jednosmerného napätia, čo spôsobí migráciu častíc smerom k magnetu a usadzovanie sa na jeho povrchu.

2.2.2 Kroky procesu

1. Predúprava : Povrch magnetu AlNiCo sa vyčistí a pripraví (napr. odmastí, vyleptá alebo pasivuje), aby sa zabezpečila dobrá priľnavosť elektroforetického povlaku.
2. Elektroforetické nanášanie : Magnet sa ponorí do elektroforetického kúpeľa obsahujúceho nabité častice živice. Medzi magnet (katódu) a anódu sa privedie jednosmerné napätie (zvyčajne 50 – 300 V), čo spôsobí migráciu častíc živice a ich usadzovanie na povrchu magnetu.
3. Oplachovanie : Potiahnutý magnet sa opláchne deionizovanou vodou, aby sa odstránili všetky neviazané častice živice.
4. Vytvrdzovanie : Potiahnutý magnet sa pečie v peci pri stanovenej teplote (zvyčajne 150 – 200 °C) počas stanoveného času (20 – 60 minút), aby sa živica vytvrdila a vytvoril sa tvrdý ochranný film.

2.2.3 Výhody

• Rovnomerný náter : Elektroforéza zabezpečuje rovnomernú hrúbku náteru, a to aj na zložito tvarovaných dieloch.
• Vynikajúca odolnosť proti korózii : Vytvrdený živicový film ponúka dobrú ochranu pred vlhkosťou, chemikáliami a soľnou hmlou.
• Dekoratívna úprava : Elektroforetické povlaky sú dostupné v rôznych farbách, ktoré poskytujú ochranu aj estetiku.
• Šetrné k životnému prostrediu : Moderné elektroforetické nátery majú nízky obsah prchavých organických zlúčenín (VOC) a spĺňajú environmentálne predpisy.

2.2.4 Obmedzenia

• Náklady na zariadenie : Elektroforéza vyžaduje špecializované vybavenie vrátane zdroja napájania, povlakového kúpeľa a vytvrdzovacej pece, čo môže byť drahé.
• Zložitosť procesu : Proces zahŕňa viacero krokov (predúprava, nanášanie povrchovej úpravy, oplachovanie, vytvrdzovanie), ktoré si vyžadujú starostlivú kontrolu parametrov (napätie, teplota, čas).
• Obmedzená hrúbka : Elektroforetické povlaky majú zvyčajne hrúbku 20 – 50 μm, čo nemusí byť dostatočné pre extrémne náročné prostredie.

2.3 Galvanické pokovovanie

2.3.1 Definícia a mechanizmus

Galvanické pokovovanie je proces, pri ktorom sa na povrch vodivého substrátu nanáša tenká vrstva kovu (napr. niklu, chrómu, zinku alebo zlata) pomocou elektrolytického roztoku. V prípade magnetov AlNiCo sa galvanické pokovovanie bežne používa na zlepšenie odolnosti proti korózii, opotrebovaniu a vzhľadu. Proces zahŕňa ponorenie magnetu do elektrolytického kúpeľa obsahujúceho kovové ióny a aplikáciu jednosmerného prúdu, čo spôsobí redukciu kovových iónov a ich usadzovanie na povrchu magnetu.

2.3.2 Kroky procesu

1. Predúprava : Povrch magnetu AlNiCo sa očistí (napr. odmastí, leptá kyselinou alebo vyleští), aby sa odstránili nečistoty a zabezpečila sa dobrá priľnavosť pokovovanej vrstvy.
2. Galvanické pokovovanie : Magnet sa ponorí do elektrolytického kúpeľa obsahujúceho kovové ióny (napr. síran nikelnatý na pokovovanie niklom). Aplikuje sa jednosmerný prúd, ktorý spôsobuje usadzovanie kovových iónov na povrchu magnetu.
3. Oplachovanie : Pokovovaný magnet sa opláchne deionizovanou vodou, aby sa odstránil všetok zvyškový elektrolyt.
4. Dodatočná úprava : Pokovovaný povrch môže byť podrobený dodatočným úpravám (napr. pasivácia, leštenie alebo utesnenie) na zlepšenie odolnosti proti korózii alebo vzhľadu.

2.3.3 Bežné galvanicky pokovované povlaky pre magnety AlNiCo

• Niklovanie : Nikel poskytuje dobrú odolnosť proti korózii a je široko používaný pre magnety AlNiCo. Môže byť ďalej vylepšený vrchným chrómovým povlakom pre lepšiu odolnosť proti opotrebovaniu a korózii.
• Chrómovanie : Chróm ponúka vynikajúcu odolnosť proti korózii a lesklý, dekoratívny povrch. Šesťmocný chróm (Cr⁶⁺) je však toxický a jeho použitie je v mnohých regiónoch obmedzené.
• Zinkové pokovovanie : Zinok poskytuje obetnú ochranu podkladovému kovu, ale je menej odolný ako nikel alebo chróm a zvyčajne sa používa na vnútorné použitie.
• Pozlátenie : Zlato ponúka vynikajúcu odolnosť voči korózii a používa sa pre špičkové aplikácie, kde je dôležitá ochrana aj estetika. Je však drahé a bežne sa nepoužíva pre magnety AlNiCo.

2.3.4 Výhody

• Vynikajúca odolnosť proti korózii : Galvanicky pokovované povlaky (najmä nikel a chróm) poskytujú vynikajúcu ochranu proti korózii, a to aj v náročných podmienkach.
• Dekoratívna úprava : Galvanické pokovovanie môže poskytnúť jasný, reflexný povrch, čím sa zlepšuje vzhľad magnetov AlNiCo.
• Prispôsobiteľná hrúbka : Hrúbku galvanicky pokovovanej vrstvy je možné regulovať (zvyčajne 5 – 50 μm) tak, aby spĺňala špecifické požiadavky.

2.3.5 Obmedzenia

• Obavy týkajúce sa životného prostredia : Niektoré procesy galvanického pokovovania (napr. šesťmocné chrómovanie) zahŕňajú nebezpečné chemikálie a vyžadujú si prísne nakladanie s odpadom.
• Vysoké náklady : Galvanické pokovovanie môže byť drahé kvôli nákladom na kovové soli, spotrebe energie a spracovaniu odpadu.
• Vodíkové krehnutie : Galvanické pokovovanie môže do kovu zavádzať vodík, čo vedie ku krehnutiu a zníženiu mechanických vlastností. Toto je obzvlášť problémom pri magnetoch s vysokou pevnosťou.

3. Porovnanie odolnosti proti korózii pri rôznych povrchových úpravách

Odolnosť magnetov AlNiCo voči korózii závisí od typu použitej povrchovej úpravy. Nasledujúca tabuľka sumarizuje odolnosť voči korózii pasivácie, elektroforézy a galvanického pokovovania v rôznych prostrediach:

3.1 Vlhké prostredie

• Pasivácia : Tenká oxidová vrstva poskytuje obmedzenú ochranu vo vlhkom prostredí. Postupom času môže vlhkosť preniknúť do vrstvy a spôsobiť koróziu, najmä ak prostredie obsahuje znečisťujúce látky (napr. oxid siričitý).
• Elektroforéza : Epoxidový alebo akrylový živicový povlak poskytuje dobrú ochranu pred vlhkosťou a zabraňuje korózii po dlhšiu dobu.
• Galvanické pokovovanie : Niklové a chrómové povlaky ponúkajú vynikajúcu ochranu vo vlhkom prostredí vďaka svojej hustej, neporéznej štruktúre.

3.2 Prostredie soľnej hmly

• Pasivácia : Pasivované AlNiCo magnety nie sú vhodné na dlhodobé vystavenie soľnej hmle, pretože chloridové ióny môžu rýchlo preniknúť cez tenkú vrstvu oxidu a spôsobiť koróziu.
• Elektroforéza : Elektroforetické povlaky sú vysoko odolné voči soľnej hmle a môžu chrániť magnet tisíce hodín v testoch soľnou hmlou (napr. ASTM B117).
• Galvanické pokovovanie : Niklové a chrómové povlaky poskytujú vynikajúcu ochranu proti soľnej hmle, pričom niektoré povlaky vydržali v testoch soľnou hmlou viac ako 10 000 hodín bez známok korózie.

3.3 Chemické prostredie

• Pasivácia : Pasivačná vrstva nie je odolná voči silným kyselinám alebo zásadám a môže sa ľahko rozpustiť, čo vedie ku korózii podkladového kovu.
• Elektroforéza : Elektroforetické povlaky sú odolné voči miernym chemikáliám (napr. olejom, rozpúšťadlám), ale môžu sa degradovať v silných kyselinách alebo zásadách.
• Galvanické pokovovanie : Niklové a chrómové povlaky ponúkajú vynikajúcu odolnosť voči väčšine chemikálií vrátane kyselín, zásad a rozpúšťadiel, vďaka čomu sú ideálne pre náročné priemyselné prostredie.

3.4 Trvanlivosť

• Pasivácia : Pasivačná vrstva je náchylná na opotrebovanie a dá sa ľahko poškriabať alebo odstrániť, čím sa znižuje jej ochranný účinok.
• Elektroforéza : Elektroforetické povlaky sú odolnejšie ako pasivácia, ale stále sa môžu poškriabať alebo odštiepiť, čím sa podkladový kov vystaví korózii.
• Galvanické pokovovanie : Galvanicky pokovované povlaky sú vysoko odolné a odolné voči opotrebovaniu, oderu a nárazom, čím poskytujú dlhotrvajúcu ochranu.

3.5 Náklady

• Pasivácia : Pasivácia je najlacnejšia metóda povrchovej úpravy, vďaka čomu je vhodná pre cenovo dostupné aplikácie, kde je prijateľná mierna odolnosť voči korózii.
• Elektroforéza : Elektroforéza má miernu cenu a ponúka dobrý pomer ceny a výkonu pre mnohé priemyselné aplikácie.
• Galvanické pokovovanie : Galvanické pokovovanie je najdrahšou metódou povrchovej úpravy kvôli nákladom na kovové soli, spotrebe energie a spracovaniu odpadu. Poskytuje však najvyššiu úroveň ochrany a odolnosti.

4. Odporúčania pre výber povrchovej úpravy

Výber povrchovej úpravy magnetov AlNiCo závisí od špecifických požiadaviek aplikácie vrátane prevádzkového prostredia, požadovanej životnosti a rozpočtových obmedzení. Nasledujúce odporúčania vám môžu pomôcť pri výbere:

4.1 Pre vnútorné alebo mierne vonkajšie prostredie

• Pasivácia : Vhodná pre aplikácie, kde sú požiadavky na odolnosť proti korózii mierne a hlavnou prioritou sú náklady. Medzi príklady patrí spotrebná elektronika, senzory a magnetické separátory pracujúce v suchom prostredí.
• Elektroforéza : Uprednostňuje sa pre aplikácie vyžadujúce lepšiu odolnosť proti korózii a dekoratívny povrch. Medzi príklady patria automobilové súčiastky, kancelárske vybavenie a priemyselné stroje.

4.2 Pre náročné vonkajšie alebo morské prostredie

• Galvanické pokovovanie (nikel/chróm) : Odporúča sa pre aplikácie vystavené soľnej hmle, vysokej vlhkosti alebo agresívnym chemikáliám. Medzi príklady patria námorné zariadenia, pobrežné plošiny a zariadenia na chemické spracovanie.
• Elektroforéza s vrchným náterom : Alternatíva ku galvanickému pokovovaniu, kde sa na elektroforetický náter nanáša vrchný náter (napr. polyuretán) na zvýšenie odolnosti proti korózii a trvanlivosti.

4.3 Pre vysokovýkonné alebo kritické aplikácie

• Galvanické pokovovanie (nikel/chróm) : Najlepšia voľba pre aplikácie vyžadujúce najvyššiu úroveň odolnosti proti korózii, trvanlivosti a vzhľadu. Medzi príklady patria letecké a kozmické komponenty, zdravotnícke pomôcky a presné prístroje.
• Viacvrstvové nátery : V extrémnych prostrediach je možné na zabezpečenie synergickej ochrany použiť kombináciu povrchových úprav (napr. pasivácia + elektroforéza + galvanické pokovovanie).

5. Záver

Povrchová úprava je nevyhnutná na zvýšenie odolnosti AlNiCo magnetov proti korózii a zabezpečenie ich dlhodobého výkonu v rôznych prostrediach. Pasivácia, elektroforéza a galvanické pokovovanie sú tri široko používané metódy povrchovej úpravy, pričom každá má svoje výhody a obmedzenia. Pasivácia je cenovo výhodná možnosť pre mierne prostredie, ale v agresívnych podmienkach ponúka obmedzenú ochranu. Elektroforéza poskytuje dobrú rovnováhu medzi nákladmi a výkonom, pričom ponúka rovnomernú odolnosť proti korózii a dekoratívny povrch. Galvanické pokovovanie, najmä niklom alebo chrómom, ponúka najvyššiu úroveň ochrany a odolnosti, vďaka čomu je ideálne pre náročné prostredie a kritické aplikácie.

Pri výbere metódy povrchovej úpravy je dôležité zvážiť špecifické prevádzkové podmienky, požadovanú životnosť a rozpočtové obmedzenia. Výberom vhodnej povrchovej úpravy môžu výrobcovia výrazne zlepšiť odolnosť AlNiCo magnetov voči korózii, čím sa zabezpečí ich spoľahlivosť a výkon v rôznych aplikáciách.