ドイツの Umicore Electroplating では、高温電解陽極を使用しています。このプロセスでは、アルゴン雰囲気下、550℃の溶融塩浴中で、チタン、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ステンレス鋼、ニッケル合金などの基材上に白金が堆積されます。
図 2: 高温電気めっきされたプラチナ/チタン陽極は、長期間にわたってその形状を保持します。
図 3: 拡張されたメッシュ Pt/Ti アノード。エキスパンドメタルメッシュが最適な電解液輸送を提供します。アノード部品とカソード部品の間の距離を短くすることができ、電流密度が増加します。結果として、より短い時間でより良い品質が得られます。
図 4: エキスパンド メタル メッシュ アノードのメッシュの幅は調整できます。メッシュにより電解液の循環が促進され、ガスの除去が向上します。
鉛は世界中で注目されています。米国では保健当局と職場が警告を守っている。電気めっき会社は危険物質を扱う長年の経験があるにもかかわらず、金属はますます批判的に見られ続けています。
たとえば、米国で鉛アノードを使用する人は誰でも、EPA の連邦有害化学物質放出登録局に登録する必要があります。電気めっき会社が年間約 29 kg の鉛しか処理しない場合でも、登録は必要です。
したがって、米国で代替手段を探す必要があります。鉛陽極硬質クロムめっきプラントは一見すると安価に見えるだけでなく、多くの欠点もあります。
寸法的に安定したアノードは、基材としてチタンまたはニオブ上の白金表面を備えた硬質クロムめっき (図 2 を参照) に代わる興味深い代替品です。
プラチナでコーティングされた陽極には、硬質クロムめっきに比べて多くの利点があります。これらには次の利点が含まれます。
理想的な結果を得るには、陽極をコーティングする部品の設計に適合させます。これにより、鉛陽極は主に標準的なシートまたは棒であるのに対し、安定した寸法（板、円筒、T 字型、U 字型）の陽極を得ることが可能になります。
Pt/Ti および Pt/Nb アノードには閉じた表面はなく、可変メッシュ サイズのエキスパンド メタル シートがあります。これにより、エネルギーが適切に分散され、電場がネットワーク内およびネットワークの周囲で機能するようになります (図 3 を参照)。
したがって、間の距離が小さいほど、アノードカソードほど、コーティングの磁束密度は高くなります。レイヤーをより速く適用できるため、歩留まりが向上します。有効表面積の大きなグリッドを使用すると、分離条件を大幅に改善できます。
プラチナとチタンを組み合わせることで寸法安定性が得られます。どちらの金属も硬質クロムめっきに最適なパラメータを提供します。プラチナの抵抗率は非常に低く、わずか 0.107 オーム×mm2/m です。鉛の値は鉛（0.208Ω×mm2/m）のほぼ2倍です。チタンは優れた耐食性を持っていますが、この能力はハロゲン化物の存在下で低下します。たとえば、塩化物を含む電解液中のチタンの絶縁破壊電圧は、pH に応じて 10 ～ 15 V の範囲になります。これはニオブ (35 ～ 50 V) やタンタル (70 ～ 100 V) よりも大幅に高くなります。
チタンには、硫酸、硝酸、フッ化水素酸、シュウ酸、メタンスルホン酸などの強酸に対する耐食性の点で不利な点があります。しかし、チタン加工性と価格の点から、依然として良い選択です。
チタン基板上への白金層の堆積は、溶融塩中での高温電解 (HTE) によって電気化学的に実行するのが最適です。洗練された HTE プロセスにより、正確なコーティングが保証されます。約 1% ～ 3% のプラチナを含むシアン化カリウムとシアン化ナトリウムの混合物から作られた 550°C の溶融浴中で、貴金属がチタン上に電気化学的に堆積されます。基板はアルゴンを使用した密閉システム内に固定され、塩浴は二重るつぼ内にあります。1 ～ 5 A/dm2 の電流により、0.5 ～ 2 V のコーティング張力で 1 時間あたり 10 ～ 50 ミクロンの絶縁速度が得られます。
HTE プロセスを使用した白金処理されたアノードは、水性電解質でコーティングされたアノードよりも大幅に優れた性能を発揮します。溶融塩からの白金コーティングの純度は少なくとも 99.9% であり、水溶液から堆積した白金層の純度よりも大幅に高くなります。内部張力を最小限に抑えながら、延性、接着性、耐食性が大幅に向上しました。
アノード設計の最適化を検討する場合、最も重要なのは支持構造とアノード電源の最適化です。最良の解決策は、チタン シート コーティングを加熱して銅のコアに巻き付けることです。銅は理想的な導体であり、抵抗率は Pb/Sn 合金のわずか約 9% です。CuTi 電源はアノードに沿ってのみ最小限の電力損失を保証するため、カソード アセンブリ上の層の厚さの分布は同じになります。
もう一つのプラスの効果は、発生する熱が少なくなることです。冷却要件が軽減され、アノードの白金の摩耗が軽減されます。耐腐食チタンコーティングが銅コアを保護します。エキスパンドメタルを再コーティングする場合は、フレームおよび/または電源のみを洗浄して準備してください。何度も再利用できます。
これらの設計ガイドラインに従うことで、Pt/Ti または Pt/Nb モデルを使用して、硬質クロムめっきに「理想的なアノード」を作成できます。寸法的に安定したモデルは、投資段階では鉛陽極よりもコストが高くなります。ただし、コストをより詳細に考慮すると、プラチナメッキのチタンモデルは、ハードクロムメッキの興味深い代替品となる可能性があります。
これは、従来の鉛およびプラチナ陽極の総コストを包括的かつ徹底的に分析した結果です。
PbSn7 製の 8 つの鉛合金アノード (長さ 1700 mm、直径 40 mm) を、円筒部品のクロムめっきに適したサイズの Pt/Ti アノードと比較しました。鉛陽極 8 個の製造コストは約 1,400 ユーロ (1,471 米ドル) で、一見すると安いように思えます。必要な Pt/Ti アノードの開発に必要な投資ははるかに高額です。初期購入価格は約7,000ユーロです。プラチナ仕上げは特に高価です。純粋な貴金属のみがこの量の 45% を占めます。厚さ 2.5 μm のプラチナ コーティングには、8 つのアノードごとに 11.3 g の貴金属が必要です。1グラムあたり35ユーロの価格で、これは3160ユーロに相当します。
鉛陽極が最良の選択のように思えるかもしれませんが、詳しく調べるとすぐに変わる可能性があります。わずか 3 年後には、鉛アノードの総コストは Pt/Ti モデルよりも大幅に高くなります。控えめな計算例では、一般的なアプリケーションの磁束密度を 40 A/dm2 と仮定します。その結果、168 dm2 の所定のアノード表面における電力の流れは、3 年間の 6700 時間の動作で 6720 アンペアでした。これは、年間 10 労働時間のうち約 220 労働日に相当します。白金が酸化して溶液になると、白金層の厚さは徐々に減少します。この例では、これは 100 万アンペア時あたり 2 グラムとみなされます。
Pt/Ti が鉛陽極に比べてコスト的に有利である理由は数多くあります。さらに、電力消費量の削減 (価格 0.14 ユーロ/kWh から 14,800 kWh/年を引いたもの) には、年間約 2,000 ユーロの費用がかかります。さらに、鉛クロム酸塩スラッジの廃棄にかかる年間約 500 ユーロ、メンテナンスと生産停止時間にかかる年間 1,000 ユーロのコストも不要になります。これは非常に控えめな計算です。
鉛陽極の総コストは 3 年間で 14,400 ユーロ (15,130 ドル) でした。Pt/Ti アノードのコストは、再コーティングを含めて 12,020 ユーロです。メンテナンス費用と生産のダウンタイム (年間 1 日あたり 1000 ユーロ) を考慮しなくても、3 年後には損益分岐点に達します。この時点から、それらの間のギャップはさらに増加し​​、Pt/Ti アノードが有利になります。
多くの産業が、高温白金でコーティングされた電解アノードのさまざまな利点を活用しています。照明、半導体および回路基板のメーカー、自動車、油圧機器、鉱業、水道、スイミングプールは、これらのコーティング技術に依存しています。持続可能なコストと環境への配慮は長期的な懸念事項であるため、将来的にはさらに多くのアプリケーションが開発されることは間違いありません。その結果、鉛に対する監視の目が厳しくなる可能性がある。
元の論文は、ドイツのアーレン応用科学大学の Timo Sörgel 教授が編集した Annual Surface Technology (Vol. 71、2015) にドイツ語で掲載されました。Eugen G. Leuze Verlag、バート・ザウルガウ/ドイツの提供。
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