Umicore Electroplating בגרמניה משתמש באנודות אלקטרוליטיות בטמפרטורה גבוהה.בתהליך זה, פלטינה מושקעת על חומרי בסיס כגון טיטניום, ניוביום, טנטלום, מוליבדן, טונגסטן, נירוסטה וסגסוגות ניקל באמבט מלח מותך ב-550 מעלות צלזיוס תחת ארגון.
איור 2: אנודת פלטינה/טיטניום מצופה בטמפרטורה גבוהה שומרת על צורתה לאורך תקופה ארוכה.
איור 3: אנודת Pt/Ti רשת מורחבת.רשת מתכת מורחבת מספקת הובלת אלקטרוליטים אופטימלית.ניתן להקטין את המרחק בין האנודה לרכיבי הקתודה ולהגדיל את צפיפות הזרם.התוצאה: איכות טובה יותר בפחות זמן.
איור 4: ניתן להתאים את רוחב הרשת באנודת רשת המתכת המורחבת.הרשת מספקת זרימת אלקטרוליטים מוגברת והסרת גזים טובה יותר.
עופרת נצפית מקרוב בכל העולם.בארה"ב, רשויות הבריאות ומקומות העבודה נצמדים לאזהרותיהם.למרות שנות הניסיון של חברות האלקטרוניקה בטיפול בחומרים מסוכנים, מתכת ממשיכה להתייחס באופן ביקורתי יותר ויותר.
לדוגמה, כל מי שמשתמש באנודות עופרת בארצות הברית חייב להירשם ב-EPA הפדרלי לשחרור כימיקלים רעלים.אם חברת חיטוי מעבדת רק כ-29 ק"ג עופרת בשנה, עדיין נדרש רישום.
לכן, יש צורך לחפש אלטרנטיבה בארה"ב.לא רק שמפעל ציפוי כרום קשיח באנודה עופרת נראה זול במבט ראשון, יש גם חסרונות רבים:
אנודות יציבות מימדיות הן חלופה מעניינת לציפוי כרום קשיח (ראה איור 2) עם משטח פלטינה על טיטניום או ניוביום כמצע.
אנודות מצופות פלטינה מציעות יתרונות רבים על פני ציפוי כרום קשיח.אלה כוללים את היתרונות הבאים:
לתוצאות אידיאליות, התאימו את האנודה לעיצוב החלק המיועד לציפוי.זה מאפשר להשיג אנודות במידות יציבות (צלחות, צילינדרים, בצורת T וצורת U), בעוד שאנודות עופרת הן בעיקר יריעות או מוטות סטנדרטיים.
לאנודות Pt/Ti ו-Pt/Nb אין משטחים סגורים, אלא ליריעות מתכת מורחבות עם גודל רשת משתנה.זה מוביל לפיזור טוב של אנרגיה, שדות חשמליים יכולים לעבוד בתוך ומסביב לרשת (ראה איור 3).
לכן, ככל שהמרחק בין ה-אָנוֹדָהוהקתודה, ככל שצפיפות השטף של הציפוי גבוהה יותר.ניתן ליישם שכבות מהר יותר: התשואה גדלה.השימוש ברשתות עם שטח פנים אפקטיבי גדול יכול לשפר משמעותית את תנאי ההפרדה.
ניתן להשיג יציבות ממדית על ידי שילוב של פלטינה וטיטניום.שתי המתכות מספקות פרמטרים אופטימליים עבור ציפוי כרום קשיח.ההתנגדות של פלטינה נמוכה מאוד, רק 0.107 Ohm×mm2/m.הערך של עופרת הוא כמעט פי שניים מזה של עופרת (0.208 אוהם×mm2/m).לטיטניום עמידות מצוינת בפני קורוזיה, אולם יכולת זו מופחתת בנוכחות הלידים.לדוגמה, מתח הפירוק של טיטניום באלקטרוליטים המכילים כלוריד נע בין 10 ל-15 וולט, בהתאם ל-pH.זה גבוה משמעותית מזה של ניוביום (35 עד 50 וולט) וטנטלום (70 עד 100 וולט).
לטיטניום יש חסרונות מבחינת עמידות בפני קורוזיה בחומצות חזקות כמו חומצות גופרית, חנקתי, הידרופלואוריות, אוקסלית ומתאן-סולפוני.למרות זאת,טִיטָןהיא עדיין בחירה טובה בשל יכולת העיבוד והמחיר שלה.
שקיעת שכבת פלטינה על מצע טיטניום מתבצעת בצורה הטובה ביותר בצורה אלקטרוכימית על ידי אלקטרוליזה בטמפרטורה גבוהה (HTE) במלחים מותכים.תהליך ה-HTE המתוחכם מבטיח ציפוי מדויק: באמבט מותך של 550 מעלות צלזיוס העשויה מתערובת של ציאנידים אשלגן ונתרן המכילה כ-1% עד 3% פלטינה, המתכת היקרה מופקדת אלקטרוכימית על טיטניום.המצע ננעל במערכת סגורה עם ארגון, ואמבט המלח נמצא בכור כפול.זרמים מ-1 עד 5 A/dm2 מספקים קצב בידוד של 10 עד 50 מיקרון לשעה עם מתח ציפוי של 0.5 עד 2 V.
אנודות פלטיניות המשתמשות בתהליך HTE הן בעלות ביצועים גבוהים מאוד לאנודות המצופים באלקטרוליט מימי.הטוהר של ציפוי פלטינה ממלח מותך הוא לפחות 99.9%, שהוא גבוה משמעותית מזה של שכבות פלטינה המופקדות מתמיסות מימיות.משיכות, הידבקות ועמידות בפני קורוזיה משופרת משמעותית עם מתח פנימי מינימלי.
כאשר שוקלים לייעל את עיצוב האנודה, החשוב ביותר הוא אופטימיזציה של מבנה התמיכה ואספקת הכוח של האנודה.הפתרון הטוב ביותר הוא לחמם ולפתול את ציפוי יריעת הטיטניום על ליבת הנחושת.נחושת היא מוליך אידיאלי עם התנגדות של כ-9% בלבד מזו של סגסוגות Pb/Sn.ספק הכוח CuTi מבטיח הפסדי חשמל מינימליים רק לאורך האנודה, כך שחלוקת עובי השכבה במכלול הקתודה זהה.
השפעה חיובית נוספת היא שפחות חום נוצר.דרישות הקירור מופחתות ובלאי פלטינה על האנודה מצטמצם.ציפוי טיטניום נגד קורוזיה מגן על ליבת הנחושת.בעת ציפוי מחדש של מתכת מורחבת, נקה והכין רק את המסגרת ו/או ספק הכוח.ניתן לעשות בהם שימוש חוזר פעמים רבות.
על ידי ביצוע הנחיות התכנון הללו, תוכל להשתמש בדגמי Pt/Ti או Pt/Nb כדי ליצור "אנודות אידיאליות" עבור ציפוי כרום קשיח.דגמים יציבים במימד עולים יותר בשלב ההשקעה מאשר אנודות עופרת.עם זאת, כאשר בוחנים את העלות ביתר פירוט, דגם טיטניום מצופה פלטינה יכול להיות חלופה מעניינת לציפוי כרום קשיח.
זאת בשל ניתוח מקיף ויסודי של העלות הכוללת של אנודות עופרת ופלטינה קונבנציונליות.
שמונה אנודות מסגסוגת עופרת (1700 מ"מ אורך ו-40 מ"מ קוטר) העשויות PbSn7 הושוו לאנודות Pt/Ti בגודל מתאים עבור ציפוי כרום של חלקים גליליים.הייצור של שמונה אנודות עופרת עולה בסביבות 1,400 יורו (1,471 דולר), מה שבמבט ראשון נראה זול.ההשקעה הנדרשת לפיתוח האנודות Pt/Ti הנדרשות היא הרבה יותר גבוהה.מחיר הרכישה הראשוני הוא בסביבות 7,000 יורו.גימורי פלטינה יקרים במיוחד.רק מתכות יקרות טהורות מהוות 45% מכמות זו.ציפוי פלטינה בעובי של 2.5 מיקרומטר דורש 11.3 גרם מתכת יקרה עבור כל אחת משמונה האנודות.במחיר של 35 יורו לגרם זה מתאים ל-3160 יורו.
למרות שאנודות עופרת עשויות להיראות כמו הבחירה הטובה ביותר, זה יכול להשתנות במהירות לאחר בדיקה מדוקדקת יותר.לאחר שלוש שנים בלבד, העלות הכוללת של אנודת עופרת גבוהה משמעותית מדגם Pt/Ti.בדוגמה חישוב שמרנית, הנח צפיפות שטף יישום טיפוסית של 40 A/dm2.כתוצאה מכך, זרימת הכוח במשטח אנודה נתון של 168 dm2 הייתה 6720 אמפר ב-6700 שעות פעולה במשך שלוש שנים.זה מקביל לכ-220 ימי עבודה מתוך 10 שעות עבודה בשנה.כשהפלטינה מתחמצנת לתמיסה, עובי שכבת הפלטינה יורד באיטיות.בדוגמה, זה נחשב ל-2 גרם למיליון אמפר-שעה.
ישנן סיבות רבות ליתרון העלות של Pt/Ti על פני אנודות עופרת.בנוסף, צריכת חשמל מופחתת (מחיר 0.14 אירו/קוט"ש פחות 14,800 קילו-שעה לשנה) עולה כ-2,000 אירו לשנה.בנוסף, אין עוד צורך בעלות שנתית של כ-500 יורו לסילוק בוצת כרומט עופרת, וכן 1000 יורו לתחזוקה והשבתת ייצור - חישובים שמרניים ביותר.
העלות הכוללת של אנודות עופרת במשך שלוש שנים הייתה 14,400 אירו (15,130 דולר).עלות האנודות Pt/Ti היא 12,020 יורו, כולל ציפוי מחדש.גם בלי לקחת בחשבון עלויות תחזוקה והשבתת ייצור (1000 יורו ליום בשנה), נקודת האיזון מגיעה לאחר שלוש שנים.מנקודה זו ואילך, הפער ביניהם גדל עוד יותר לטובת האנודה Pt/Ti.
תעשיות רבות מנצלות את היתרונות השונים של אנודות אלקטרוליטיות מצופות פלטינה בטמפרטורה גבוהה.יצרני תאורה, מוליכים למחצה ומעגלים, רכב, הידראוליקה, כרייה, מפעלי מים ובריכות שחייה מסתמכים על טכנולוגיות ציפוי אלו.יישומים נוספים בהחלט יפותחו בעתיד, מכיוון שעלות בת קיימא ושיקולים סביבתיים הם דאגות ארוכות טווח.כתוצאה מכך, עופרת עשויה לעמוד בפני בדיקה מוגברת.
המאמר המקורי פורסם בגרמנית ב-Anual Surface Technology (כרך 71, 2015) בעריכת פרופ' טימו סורגל מאוניברסיטת Aalen of Applied Sciences, גרמניה.באדיבות Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/גרמניה.
ברוב פעולות גימור המתכת, נעשה שימוש במיסוך, שבו יש לעבד רק אזורים מסוימים של פני השטח של החלק.במקום זאת, ניתן להשתמש במיסוך על משטחים שבהם טיפול אינו נדרש או שיש להימנע מהם.מאמר זה מכסה היבטים רבים של מיסוך גימור מתכת, כולל יישומים, טכניקות וסוגי מיסוך שונים בשימוש.