1 Nd-Fe-B magneettien korroosio Elisa Isotahdon Magneettiteknologiakeskuksen miniseminaari Pori 24.1.2012
2 Sisältö Projektista Nd-Fe-B magneettien korroosiomekanismi Projektin kokeellinen osuus Mikrorakenteen karakterisointi Korroosiokokeet Tulokset Jatkoprojekti
3 Projekti Sintrattujen Nd-Fe-B magneettien korroosiokäyttäytyminen - selvitys Kirjallisuusselvitys korroosiosta Kokeellisessa osuudessa erilaisten Nd-Fe-B magneettien mikrorakennetarkasteluja ja korroosiokokeita Prizztech magneettiteknologiakeskus koordinoi projektia ja Neorem Magnets toimitti näytemateriaalit. Mukana johtoryhmässä olivat myös Kone ja ABB. TTY Materiaaliopin laitos toteuttajana.
Sintrattujen Nd-Fe-B magneettien mikrorakenne 4 Nd 2 Fe 14 B magneettinen faasi Rautapitoinen Matriisifaasi Nd-rikas (Nd 4 Fe + Nd-oksidit) raerajafaasi B-rikas (Nd 1.1 Fe 4 B 4 ) faasi Seostuksella uusia faaseja Fig 1. Model of microstructure of sintered Nd-Fe-B magnet [edited from Yang11].
5 Korroosiomekanismi Harvinaiset maametallit erittäin aktiivisia, neodyymin potentiaali -2.4V -> Potentiaalierot faasien välillä Sähköinen kontakti (esim. ilmankosteus) magneetin pinnalla Nd-rikkaasta faasista anodi ja matriisifaasista katodi Nd-rikkaan raerajan syöpyminen (raerajakorroosio) 3H 2 O + Nd -> Nd(OH) 3 + 3H
Korroosiomekanismi 6 Matriisifaasin rakeet pysyvät vahingoittumattomina, mutta irtoavat rakenteesta - PULVEROITUMINEN
7 Korroosion estäminen Pinnoitus Ni, Sn, Al epoksit yms. Mikrorakenteen muokkaus Usein optimointia korroosionkesto- ja magneettisten ominaisuuksien välillä.
8 Korroosionkeston parantaminen Raerajafaasin stabiloiminen Eri faasien välisen potentiaalieron pienentäminen. Pienempi ajava voima korroosioreaktiolle. Nostetaan raerajafaasin potentiaalia sitomalla vapaata aktiivista neodyymia. Yleisimmin käytetty seosaine koboltti muodostaa Nd 3 Co yhdisteitä. Raerajafaasin määrä ja sijainti Erilaisia valmistusprosessista johtuvia materiaaliparametrejä, joilla eri suuruisia vaikutuksia korroosionkestoon: Tiheys Huokoisuus Raekoko Hapen määrä
Kokeellinen osuus - materiaalit 9 Tarkasteltiin seitsemää eri magneettilaatua: Total rare-earth, TRE [wt.%] Co Magnet grade Trade name [wt.%] M1 450a 32.3 0.0 B M2 453a_mod 31.7 0.0 S M3 493a 31.7 0.0 B M4 593a 31.2 0.9 S M5 593a_mod 30.9 0.9 S M6 591a_test 31.8 2.3 B M7 793a 31.2 2.4 S Book mold/ Strip cast Kaikki näytteet magnetoimattomia ja kooltaan 10 mm x 10 mm x 5 mm.
10 Kokeellinen osuus - tutkimusmenetelmät Karakterisointi Pyyhkäisyelektronimikroskooppi ja energiadispersiivinen mikroanalysaattori (SEM+EDS) Optinen mikroskopia syövytetyille näytteille raekoon määrittämiseksi Sähkökemialliset korroosiomittaukset Polarisaatiomittaukset Sähkökemiallinen impedanssi spektroskopia (Electrochemical impedance spectroscopy, EIS) Kiihdytetyt korroosiokokeet HAST (Highly accelerated stress test) -koe
11
M4 (593a) TRE% 32.0 Co% 1.0, Strip Cast 12 (1) (2) (3) Dark grey phase Light grey phase White phase wt.% at.% wt.% at.% wt.% at.% Fe 69.10 84.58 9.12 11.18 16.54 28.25 Nd 16.64 7.88 53.22 27.31 53.47 38.92 Dy 7.73 3.25 11.25 5.21 2.13 1.30 Pr 4.88 2.37 15.93 8.37 24.00 18.08 TRE 29.24 13.50 80.39 40.88 79.60 58.30 O - - 10.51 47.94 1.48 9.76 Co 1.66 1.93 - - 2.39 3.70
13 Sähkökemialliset korroosiomittaukset Laitteisto koostuu potentiostaatista, mittauskennosta, tietokoneesta ja ohjelmistosta. Kolmielektrodikenno Referenssielektrodi: Ag/AgCl Vastaelektrodi: Pt Testielektrodi: Nd-Fe-B näyte Elektrolyytti: 3.5 p.% NaCl Saadaan määritettyä korroosiopotentiaali (korroosion todennäköisyys) ja korroosiovirrantiheys (korroosion nopeus).
Sähkökemialliset korroosiomittaukset 14
Polarisaatiokäyrät 15
M3 (493a) polarisaatiomittauksen jälkeen 16
Sähkökemiallinen impedanssi spektroskopia (EIS) 17 AC signaalia 10 mv syötetään lepopotentiaalissa Resistanssin ja kapasitanssin arvot mitataan eri taajuuksilla Tietoa pinnalla tapahtuvista ilmiöistä - korroosiokäyttäytymisestä
M4 (593a) EIS mittauksen jälkeen 18
19 HAST-kokeet HAST=Highly Accelerated Stress Test Elektroniikalle kehitetty kiihdytetty kosteustesti, vakiintunut myös Nd-Fe-B magneettien korroosioarviointiin. Korroosiota kiihdytetään lämpötilan ja kosteuden avulla 130 C, suhteellinen kosteus 95%, kesto10 päivää (240h) Mitataan korroosion aiheuttamaa massahäviötä Suoritettiin kahdella erilaisella laitteistolla Prizztech Neorem
HAST 20
HAST 21
M4 (593a) HAST kokeen jälkeen 22
Tuloksien yhteenveto 23 Neodyymirikas faasi hyvin heterogeeninen ja avainasemassa korroosiokäyttäytymisen suhteen. HAST-kokeiden ja polarisaatiomittausten tulokset yhdenmukaisia. Parhaiten korroosiota kestää kobolttiseostettu magneettilaatu, jossa kokonaismaametallipitoisuus pieni. Korroosiomekanismi ankarissa olosuhteissa raerajafaasin selektiivinen liukeneminen.
24 p.% 35 31,2 30,85 31,8 31,2 31,7 31,7 32,25 30 25 20 TRE 15 10 Co 5 0 2,43 0,91 2,32 0,94 0,01 0 0,02 M7 M5 M6 M4 M2 M3 M1 Magneettien järjestys korroosionkeston mukaan. Korroosioherkkyys kasvaa
Jatko-projekti: Korroosionsuojapinnoitteet 25 Käynnissä olevassa projektissa tutkitaan erilaisten korroosiolta suojaavien pinnoitteiden ominaisuuksia. Mukana mm. metallisia pinnoitteita ja epokseja. Edellä mainittujen koemenetelmien lisäksi käytetään altistuskokeita lämpökaapissa, suolasumukokeita ja pinnoitteeseen liittyviä karakterisointimenetelmiä.