Η Umicore Electroplating στη Γερμανία χρησιμοποιεί ηλεκτρολυτικές ανόδους υψηλής θερμοκρασίας.Σε αυτή τη διαδικασία, η πλατίνα εναποτίθεται σε βασικά υλικά όπως τιτάνιο, νιόβιο, ταντάλιο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο, ανοξείδωτο χάλυβα και κράματα νικελίου σε λουτρό τετηγμένου άλατος στους 550°C υπό αργό.
Εικόνα 2: Μια επιμεταλλωμένη άνοδος πλατίνας/τιτανίου υψηλής θερμοκρασίας διατηρεί το σχήμα της για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Σχήμα 3: άνοδος διογκωμένου πλέγματος Pt/Ti.Το διογκωμένο μεταλλικό πλέγμα παρέχει βέλτιστη μεταφορά ηλεκτρολυτών.Η απόσταση μεταξύ των στοιχείων ανόδου και καθόδου μπορεί να μειωθεί και να αυξηθεί η πυκνότητα ρεύματος.Το αποτέλεσμα: καλύτερη ποιότητα σε λιγότερο χρόνο.
Εικόνα 4: Το πλάτος του πλέγματος στην άνοδο διογκωμένου μεταλλικού πλέγματος μπορεί να ρυθμιστεί.Το πλέγμα παρέχει αυξημένη κυκλοφορία ηλεκτρολυτών και καλύτερη αφαίρεση αερίων.
Ο μόλυβδος παρακολουθείται στενά σε όλο τον κόσμο.Στις ΗΠΑ, οι υγειονομικές αρχές και οι χώροι εργασίας τηρούν τις προειδοποιήσεις τους.Παρά την πολυετή εμπειρία των εταιρειών ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης στην αντιμετώπιση επικίνδυνων υλικών, το μέταλλο συνεχίζει να αντιμετωπίζεται όλο και πιο κριτικά.
Για παράδειγμα, οποιοσδήποτε χρησιμοποιεί ανόδους μολύβδου στις Ηνωμένες Πολιτείες πρέπει να εγγραφεί στο ομοσπονδιακό μητρώο τοξικών χημικών εκπομπών της EPA.Εάν μια εταιρεία ηλεκτρολυτικής επεξεργάζεται μόνο περίπου 29 κιλά μολύβδου ετησίως, εξακολουθεί να απαιτείται εγγραφή.
Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να αναζητήσετε μια εναλλακτική λύση στις ΗΠΑ.Όχι μόνο η εγκατάσταση σκληρής επιχρωμίωσης ανόδου μολύβδου φαίνεται φθηνή με την πρώτη ματιά, υπάρχουν επίσης πολλά μειονεκτήματα:
Οι σταθερές διαστάσεις άνοδοι είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση στη σκληρή επιχρωμίωση (βλ. Εικ. 2) με μια επιφάνεια πλατίνας σε τιτάνιο ή νιόβιο ως υπόστρωμα.
Οι άνοδοι με επίστρωση πλατίνας προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι της σκληρής επιχρωμίωσης.Αυτά περιλαμβάνουν τα ακόλουθα οφέλη:
Για ιδανικά αποτελέσματα, προσαρμόστε την άνοδο στο σχέδιο του εξαρτήματος που πρόκειται να επικαλυφθεί.Αυτό καθιστά δυνατή τη λήψη ανοδίων με σταθερές διαστάσεις (πλάκες, κύλινδροι, σχήματος Τ και σχήματος U), ενώ οι άνοδοι μολύβδου είναι κυρίως τυπικά φύλλα ή ράβδοι.
Οι άνοδοι Pt/Ti και Pt/Nb δεν έχουν κλειστές επιφάνειες, αλλά μάλλον διογκωμένα μεταλλικά φύλλα με μεταβλητό μέγεθος πλέγματος.Αυτό οδηγεί σε καλή κατανομή ενέργειας, τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να λειτουργήσουν μέσα και γύρω από το δίκτυο (βλ. Εικ. 3).
Επομένως, όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ τωνάνοδοςκαι η κάθοδος, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ροής της επικάλυψης.Τα στρώματα μπορούν να εφαρμοστούν πιο γρήγορα: η απόδοση αυξάνεται.Η χρήση πλεγμάτων με μεγάλη αποτελεσματική επιφάνεια μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις συνθήκες διαχωρισμού.
Η σταθερότητα των διαστάσεων μπορεί να επιτευχθεί με το συνδυασμό πλατίνας και τιτανίου.Και τα δύο μέταλλα παρέχουν τις βέλτιστες παραμέτρους για σκληρή επιχρωμίωση.Η ειδική αντίσταση της πλατίνας είναι πολύ χαμηλή, μόνο 0,107 Ohm×mm2/m.Η τιμή του μολύβδου είναι σχεδόν διπλάσια από αυτή του μολύβδου (0,208 ohm×mm2/m).Το τιτάνιο έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, ωστόσο αυτή η ικανότητα μειώνεται παρουσία αλογονιδίων.Για παράδειγμα, η τάση διάσπασης του τιτανίου σε ηλεκτρολύτες που περιέχουν χλωρίδιο κυμαίνεται από 10 έως 15 V, ανάλογα με το pH.Αυτό είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό του νιοβίου (35 έως 50 V) και του τανταλίου (70 έως 100 V).
Το τιτάνιο έχει μειονεκτήματα όσον αφορά την αντοχή στη διάβρωση σε ισχυρά οξέα όπως θειικό, νιτρικό, υδροφθορικό, οξαλικό και μεθανοσουλφονικό οξύ.Ωστόσο,τιτάνιοεξακολουθεί να είναι μια καλή επιλογή λόγω της δυνατότητας επεξεργασίας και της τιμής του.
Η εναπόθεση ενός στρώματος πλατίνας σε ένα υπόστρωμα τιτανίου πραγματοποιείται καλύτερα ηλεκτροχημικά με ηλεκτρόλυση υψηλής θερμοκρασίας (HTE) σε λιωμένα άλατα.Η εξελιγμένη διαδικασία HTE εξασφαλίζει ακριβή επίστρωση: σε λουτρό τήξης 550°C κατασκευασμένο από μείγμα κυανιούχων καλίου και νατρίου που περιέχει περίπου 1% έως 3% πλατίνα, το πολύτιμο μέταλλο εναποτίθεται ηλεκτροχημικά σε τιτάνιο.Το υπόστρωμα κλειδώνεται σε κλειστό σύστημα με αργό και το αλατόλουτρο βρίσκεται σε διπλό χωνευτήριο.Ρεύματα από 1 έως 5 A/dm2 παρέχουν ρυθμό μόνωσης 10 έως 50 micron ανά ώρα με τάση επίστρωσης 0,5 έως 2 V.
Οι επιπλατινοποιημένες άνοδοι που χρησιμοποιούν τη διαδικασία HTE έχουν πολύ καλύτερη απόδοση από τις άνοδοι που έχουν επικαλυφθεί με υδατικό ηλεκτρολύτη.Η καθαρότητα των επικαλύψεων πλατίνας από τηγμένο αλάτι είναι τουλάχιστον 99,9%, που είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των στρωμάτων πλατίνας που εναποτίθενται από υδατικά διαλύματα.Σημαντικά βελτιωμένη ολκιμότητα, πρόσφυση και αντοχή στη διάβρωση με ελάχιστη εσωτερική τάση.
Όταν εξετάζετε τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της ανόδου, το πιο σημαντικό είναι η βελτιστοποίηση της δομής στήριξης και της τροφοδοσίας ανόδου.Η καλύτερη λύση είναι να θερμάνετε και να τυλίγετε την επίστρωση φύλλου τιτανίου στον πυρήνα του χαλκού.Ο χαλκός είναι ένας ιδανικός αγωγός με ειδική ειδική αντίσταση μόνο περίπου 9% αυτής των κραμάτων Pb/Sn.Το τροφοδοτικό CuTi εξασφαλίζει ελάχιστες απώλειες ισχύος μόνο κατά μήκος της ανόδου, επομένως η κατανομή του πάχους του στρώματος στο συγκρότημα καθόδου είναι η ίδια.
Ένα άλλο θετικό αποτέλεσμα είναι ότι παράγεται λιγότερη θερμότητα.Οι απαιτήσεις ψύξης μειώνονται και η φθορά της πλατίνας στην άνοδο μειώνεται.Η αντιδιαβρωτική επίστρωση τιτανίου προστατεύει τον πυρήνα του χαλκού.Κατά την επαναβαφή διογκωμένου μετάλλου, καθαρίστε και προετοιμάστε μόνο το πλαίσιο ή/και το τροφοδοτικό.Μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν πολλές φορές.
Ακολουθώντας αυτές τις οδηγίες σχεδιασμού, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα μοντέλα Pt/Ti ή Pt/Nb για να δημιουργήσετε «ιδανικές ανόδους» για σκληρή επιχρωμίωση.Τα μοντέλα σταθερών διαστάσεων κοστίζουν περισσότερο στο στάδιο της επένδυσης από τα ανόδια μολύβδου.Ωστόσο, όταν εξετάζετε το κόστος με περισσότερες λεπτομέρειες, ένα μοντέλο από επιπλατινωμένο τιτάνιο μπορεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση στη σκληρή επιχρωμίωση.
Αυτό οφείλεται σε μια ολοκληρωμένη και ενδελεχή ανάλυση του συνολικού κόστους των συμβατικών ανοδίων μολύβδου και πλατίνας.
Οκτώ άνοδοι από κράμα μολύβδου (μήκους 1700 mm και διαμέτρου 40 mm) από PbSn7 συγκρίθηκαν με κατάλληλου μεγέθους άνοδοι Pt/Ti για επιχρωμίωση κυλινδρικών μερών.Η παραγωγή οκτώ ανοδίων μολύβδου κοστίζει περίπου 1.400 ευρώ (1.471 δολάρια ΗΠΑ), κάτι που με την πρώτη ματιά φαίνεται φθηνό.Η επένδυση που απαιτείται για την ανάπτυξη των απαιτούμενων ανόδων Pt/Ti είναι πολύ μεγαλύτερη.Η αρχική τιμή αγοράς είναι περίπου 7.000 ευρώ.Τα φινιρίσματα πλατίνας είναι ιδιαίτερα ακριβά.Μόνο τα καθαρά πολύτιμα μέταλλα αποτελούν το 45% αυτού του ποσού.Μια επίστρωση πλατίνας πάχους 2,5 μm απαιτεί 11,3 g πολύτιμου μετάλλου για καθεμία από τις οκτώ ανόδους.Στην τιμή των 35 ευρώ το γραμμάριο, αυτό αντιστοιχεί σε 3160 ευρώ.
Ενώ οι άνοδοι μολύβδου μπορεί να φαίνονται ως η καλύτερη επιλογή, αυτό μπορεί να αλλάξει γρήγορα μετά από πιο προσεκτική επιθεώρηση.Μετά από τρία μόνο χρόνια, το συνολικό κόστος μιας ανόδου μολύβδου είναι σημαντικά υψηλότερο από το μοντέλο Pt/Ti.Σε ένα συντηρητικό παράδειγμα υπολογισμού, υποθέστε μια τυπική πυκνότητα ροής εφαρμογής 40 A/dm2.Ως αποτέλεσμα, η ροή ισχύος σε μια δεδομένη επιφάνεια ανόδου 168 dm2 ήταν 6720 αμπέρ σε 6700 ώρες λειτουργίας για τρία χρόνια.Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 220 εργάσιμες ημέρες από τις 10 ώρες εργασίας ετησίως.Καθώς η πλατίνα οξειδώνεται σε διάλυμα, το πάχος της στιβάδας της πλατίνας μειώνεται αργά.Στο παράδειγμα, αυτό θεωρείται 2 γραμμάρια ανά εκατομμύριο αμπερώρες.
Υπάρχουν πολλοί λόγοι για το πλεονέκτημα κόστους του Pt/Ti σε σχέση με τις ανόδους μολύβδου.Επιπλέον, η μειωμένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας (τιμή 0,14 EUR/kWh μείον 14.800 kWh/έτος) κοστίζει περίπου 2.000 EUR ετησίως.Επιπλέον, δεν χρειάζεται πλέον ετήσιο κόστος περίπου 500 ευρώ για την απόρριψη της ιλύος χρωμικού μολύβδου, καθώς και 1000 ευρώ για συντήρηση και χρόνο διακοπής παραγωγής – πολύ συντηρητικοί υπολογισμοί.
Το συνολικό κόστος των ανοδίων μολύβδου για τρία χρόνια ήταν 14.400 € (15.130 $).Το κόστος των ανοδίων Pt/Ti είναι 12.020 ευρώ, συμπεριλαμβανομένης της επαναβαφής.Ακόμη και χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το κόστος συντήρησης και ο χρόνος διακοπής παραγωγής (1000 ευρώ την ημέρα ετησίως), το νεκρό σημείο επιτυγχάνεται μετά από τρία χρόνια.Από αυτό το σημείο και μετά, το χάσμα μεταξύ τους αυξάνεται ακόμη περισσότερο προς όφελος της ανόδου Pt/Ti.
Πολλές βιομηχανίες επωφελούνται από τα διάφορα πλεονεκτήματα των ηλεκτρολυτικών ανοδίων με επίστρωση πλατίνας υψηλής θερμοκρασίας.Οι κατασκευαστές φωτιστικών, ημιαγωγών και πλακών κυκλωμάτων, αυτοκινήτων, υδραυλικών, εξόρυξης, υδραυλικών έργων και πισινών βασίζονται σε αυτές τις τεχνολογίες επίστρωσης.Περισσότερες εφαρμογές θα αναπτυχθούν σίγουρα στο μέλλον, καθώς οι μακροπρόθεσμες ανησυχίες για το βιώσιμο κόστος και το περιβάλλον.Ως αποτέλεσμα, ο μόλυβδος μπορεί να αντιμετωπίσει αυξημένο έλεγχο.
Το πρωτότυπο άρθρο δημοσιεύθηκε στα γερμανικά στο Annual Surface Technology (τόμος 71, 2015) που επιμελήθηκε ο καθηγητής Timo Sörgel από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών του Aalen, Γερμανία.Ευγενική προσφορά του Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/Γερμανία.
Στις περισσότερες εργασίες φινιρίσματος μετάλλων, χρησιμοποιείται κάλυψη, όπου μόνο ορισμένες περιοχές της επιφάνειας του εξαρτήματος πρέπει να υποβάλλονται σε επεξεργασία.Αντίθετα, η κάλυψη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε επιφάνειες όπου δεν απαιτείται επεξεργασία ή πρέπει να αποφεύγεται.Αυτό το άρθρο καλύπτει πολλές πτυχές της κάλυψης μεταλλικού φινιρίσματος, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών, των τεχνικών και των διαφορετικών τύπων κάλυψης που χρησιμοποιούνται.