Umicore Electroplating in Germania utilizza anodi elettrolitici ad alta temperatura.In questo processo, il platino viene depositato su materiali di base come titanio, niobio, tantalio, molibdeno, tungsteno, acciaio inossidabile e leghe di nichel in un bagno di sali fusi a 550°C sotto argon.
Figura 2: Un anodo di platino/titanio elettrolitico ad alta temperatura mantiene la sua forma per un lungo periodo di tempo.
Figura 3: Anodo Pt/Ti a rete espansa.La rete metallica espansa fornisce un trasporto ottimale degli elettroliti.La distanza tra i componenti anodico e catodico può essere ridotta e la densità di corrente aumentata.Il risultato: migliore qualità in meno tempo.
Figura 4: La larghezza della rete sull'anodo di rete metallica espansa può essere regolata.La rete fornisce una maggiore circolazione dell'elettrolita e una migliore rimozione del gas.
Il piombo è attentamente osservato in tutto il mondo.Negli Stati Uniti, le autorità sanitarie e i luoghi di lavoro si attengono ai loro avvertimenti.Nonostante gli anni di esperienza delle aziende galvaniche nella gestione di materiali pericolosi, il metallo continua ad essere visto in modo sempre più critico.
Ad esempio, chiunque utilizzi anodi di piombo negli Stati Uniti deve registrarsi presso il registro federale delle emissioni di sostanze chimiche tossiche dell'EPA.Se un'azienda galvanica tratta solo circa 29 kg di piombo all'anno, è comunque necessaria la registrazione.
Pertanto è necessario cercare un’alternativa negli Stati Uniti.L’impianto di cromatura dura con anodo di piombo non solo sembra economico a prima vista, ma presenta anche numerosi svantaggi:
Gli anodi dimensionalmente stabili rappresentano un'interessante alternativa alla cromatura dura (vedi Fig. 2) con una superficie di platino su titanio o niobio come substrato.
Gli anodi rivestiti in platino offrono molti vantaggi rispetto alla cromatura dura.Questi includono i seguenti vantaggi:
Per risultati ideali, adattare l'anodo al design della parte da rivestire.Ciò consente di ottenere anodi di dimensioni stabili (piastre, cilindri, a T e a U), mentre gli anodi di piombo sono principalmente lamine o barre standard.
Gli anodi di Pt/Ti e Pt/Nb non hanno superfici chiuse ma bensì lamiere espanse con maglia variabile.Ciò porta ad una buona distribuzione dell'energia, i campi elettrici possono funzionare all'interno e attorno alla rete (vedi Fig. 3).
Pertanto, minore è la distanza tra ianodoe il catodo, maggiore è la densità di flusso del rivestimento.L'applicazione degli strati può essere eseguita più velocemente: la resa aumenta.L'uso di griglie con un'ampia superficie effettiva può migliorare significativamente le condizioni di separazione.
La stabilità dimensionale può essere ottenuta combinando platino e titanio.Entrambi i metalli forniscono parametri ottimali per la cromatura dura.La resistività del platino è molto bassa, solo 0,107 Ohm×mm2/m.Il valore del piombo è quasi il doppio di quello del piombo (0,208 ohm×mm2/m).Il titanio ha un'ottima resistenza alla corrosione, tuttavia questa capacità si riduce in presenza di alogenuri.Ad esempio, la tensione di rottura del titanio negli elettroliti contenenti cloruro varia da 10 a 15 V, a seconda del pH.Questo è significativamente superiore a quello del niobio (da 35 a 50 V) e del tantalio (da 70 a 100 V).
Il titanio presenta svantaggi in termini di resistenza alla corrosione negli acidi forti come gli acidi solforico, nitrico, fluoridrico, ossalico e metansolfonico.Tuttavia,titanioè ancora una buona scelta grazie alla sua lavorabilità e al prezzo.
La deposizione di uno strato di platino su un substrato di titanio viene effettuata al meglio elettrochimicamente mediante elettrolisi ad alta temperatura (HTE) in sali fusi.Il sofisticato processo HTE garantisce un rivestimento preciso: in un bagno fuso a 550°C costituito da una miscela di cianuri di potassio e sodio contenente circa dall'1% al 3% di platino, il metallo prezioso viene depositato elettrochimicamente sul titanio.Il substrato è bloccato in un sistema chiuso con argon e il bagno di sale si trova in un doppio crogiolo.Le correnti da 1 a 5 A/dm2 forniscono un tasso di isolamento da 10 a 50 micron all'ora con una tensione di rivestimento da 0,5 a 2 V.
Gli anodi platinati che utilizzano il processo HTE hanno notevolmente sovraperformato gli anodi rivestiti con elettrolita acquoso.La purezza dei rivestimenti di platino ottenuti dal sale fuso è almeno del 99,9%, un valore significativamente superiore a quello degli strati di platino depositati da soluzioni acquose.Duttilità, adesione e resistenza alla corrosione significativamente migliorate con una tensione interna minima.
Quando si considera l'ottimizzazione del design dell'anodo, la cosa più importante è l'ottimizzazione della struttura di supporto e dell'alimentazione dell'anodo.La soluzione migliore è riscaldare e avvolgere il rivestimento in lamiera di titanio sul nucleo di rame.Il rame è un conduttore ideale con una resistività pari solo al 9% circa di quella delle leghe Pb/Sn.L'alimentatore CuTi garantisce perdite di potenza minime solo lungo l'anodo, quindi la distribuzione dello spessore dello strato sul gruppo catodico è la stessa.
Un altro effetto positivo è che viene generato meno calore.I requisiti di raffreddamento sono ridotti e l'usura del platino sull'anodo è ridotta.Il rivestimento anticorrosione in titanio protegge il nucleo in rame.Nel ricoprire la lamiera stirata pulire e preparare solo il telaio e/o l'alimentatore.Possono essere riutilizzati molte volte.
Seguendo queste linee guida di progettazione, è possibile utilizzare i modelli Pt/Ti o Pt/Nb per creare “anodi ideali” per la cromatura dura.I modelli dimensionalmente stabili costano di più in fase di investimento rispetto agli anodi di piombo.Tuttavia, se si considera il costo in modo più dettagliato, un modello in titanio placcato platino può rappresentare un’interessante alternativa alla cromatura dura.
Ciò è dovuto ad un'analisi completa e approfondita del costo totale degli anodi convenzionali di piombo e platino.
Otto anodi in lega di piombo (1700 mm di lunghezza e 40 mm di diametro) realizzati in PbSn7 sono stati confrontati con anodi Pt/Ti opportunamente dimensionati per la cromatura di parti cilindriche.La produzione di otto anodi di piombo costa circa 1.400 euro (1.471 dollari USA), il che a prima vista sembra economico.L’investimento richiesto per sviluppare gli anodi Pt/Ti richiesti è molto più elevato.Il prezzo di acquisto iniziale è di circa 7.000 euro.Le finiture in platino sono particolarmente costose.Solo i metalli preziosi puri rappresentano il 45% di questa somma.Un rivestimento di platino spesso 2,5 µm richiede 11,3 g di metallo prezioso per ciascuno degli otto anodi.Ad un prezzo di 35 euro al grammo, ciò corrisponde a 3160 euro.
Anche se gli anodi di piombo possono sembrare la scelta migliore, la situazione può cambiare rapidamente dopo un esame più attento.Dopo soli tre anni, il costo totale di un anodo di piombo è significativamente più alto rispetto al modello Pt/Ti.In un esempio di calcolo conservativo, si presuppone una densità di flusso tipica dell'applicazione pari a 40 A/dm2.Di conseguenza, il flusso di potenza su una data superficie anodica di 168 dm2 era di 6720 ampere per 6700 ore di funzionamento per tre anni.Ciò corrisponde a circa 220 giorni lavorativi su 10 ore lavorative all'anno.Man mano che il platino si ossida in soluzione, lo spessore dello strato di platino diminuisce lentamente.Nell'esempio, questo è considerato 2 grammi per milione di ampere-ora.
Ci sono molte ragioni per il vantaggio in termini di costi degli anodi di Pt/Ti rispetto agli anodi di piombo.Inoltre, un consumo ridotto di elettricità (prezzo 0,14 EUR/kWh meno 14.800 kWh/anno) costa circa 2.000 EUR all'anno.Inoltre non è più necessario sostenere una spesa annua di circa 500 euro per lo smaltimento dei fanghi di cromato di piombo e di 1.000 euro per la manutenzione e i tempi di fermo produzione: calcoli molto conservativi.
Il costo totale degli anodi di piombo in tre anni è stato di 14.400 euro (15.130 dollari).Il costo degli anodi Pt/Ti è di 12.020 euro, compreso il recoating.Anche senza tenere conto dei costi di manutenzione e dei tempi di fermo della produzione (1.000 euro al giorno all'anno), il punto di pareggio viene raggiunto dopo tre anni.Da questo punto in poi il divario tra loro aumenta ancora di più a favore dell'anodo Pt/Ti.
Molte industrie sfruttano i vari vantaggi degli anodi elettrolitici rivestiti in platino ad alta temperatura.Produttori di illuminazione, semiconduttori e circuiti stampati, automobilistici, idraulici, minerari, acquedotti e piscine si affidano a queste tecnologie di rivestimento.In futuro verranno sicuramente sviluppate altre applicazioni, poiché i costi sostenibili e le considerazioni ambientali sono preoccupazioni a lungo termine.Di conseguenza, il piombo potrebbe essere sottoposto a un controllo più approfondito.
L'articolo originale è stato pubblicato in tedesco su Annual Surface Technology (Vol. 71, 2015) a cura del Prof. Timo Sörgel dell'Università di Scienze Applicate di Aalen, Germania.Per gentile concessione di Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/Germania.
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