독일의 Umicore Electroplating은 고온 전해 양극을 사용합니다.이 공정에서는 아르곤 하에서 550°C의 용융 염욕에서 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 스테인리스강, 니켈 합금과 같은 모재에 백금을 증착합니다.
그림 2: 고온 전기도금된 백금/티타늄 양극은 오랜 시간 동안 그 모양을 유지합니다.
그림 3: 확장된 메쉬 Pt/Ti 양극.확장된 금속 메쉬는 최적의 전해질 전달을 제공합니다.양극과 음극 구성 요소 사이의 거리를 줄일 수 있고 전류 밀도를 높일 수 있습니다.결과: 더 짧은 시간에 더 나은 품질을 얻을 수 있습니다.
그림 4: 확장된 금속 메쉬 양극의 메쉬 너비를 조정할 수 있습니다.메쉬는 전해질 순환을 증가시키고 가스 제거를 향상시킵니다.
리드는 전 세계적으로 면밀히 관찰됩니다.미국에서는 보건당국과 직장이 경고를 고수하고 있다.위험 물질을 다루는 전기 도금 회사의 다년간의 경험에도 불구하고 금속은 계속해서 점점 더 비판적으로 여겨지고 있습니다.
예를 들어, 미국에서 납 양극을 사용하는 사람은 누구나 EPA의 연방 독성 화학물질 방출 등록부(Toxic Chemical Release Register)에 등록해야 합니다.전기도금 회사가 연간 약 29kg의 납만 처리하는 경우에도 등록이 필요합니다.
따라서 미국에서 대안을 모색할 필요가 있다.납 양극 경질 크롬 도금 공장은 언뜻 보기에는 저렴해 보일 뿐만 아니라 다음과 같은 단점도 많이 있습니다.
치수적으로 안정적인 양극은 티타늄이나 니오븀을 기판으로 하는 백금 표면을 갖는 경질 크롬 도금(그림 2 참조)에 대한 흥미로운 대안입니다.
백금 코팅 양극은 경질 크롬 도금에 비해 많은 장점을 제공합니다.여기에는 다음과 같은 이점이 포함됩니다.
이상적인 결과를 얻으려면 코팅할 부품의 디자인에 맞게 양극을 조정하십시오.이를 통해 안정적인 치수(플레이트, 원통형, T자형 및 U자형)의 양극을 얻을 수 있는 반면, 납 양극은 주로 표준 시트 또는 막대입니다.
Pt/Ti 및 Pt/Nb 양극은 폐쇄된 표면을 갖지 않고 오히려 가변 메쉬 크기를 갖는 확장된 금속 시트를 갖습니다.이는 에너지의 좋은 분배로 이어지며, 전기장은 네트워크 안팎에서 작용할 수 있습니다(그림 3 참조).
그러므로 두 물체 사이의 거리가 더 작을수록양극음극일수록 코팅의 자속 밀도가 높아집니다.레이어를 더 빠르게 적용할 수 있습니다. 수율이 증가합니다.유효 표면적이 큰 그리드를 사용하면 분리 조건이 크게 향상될 수 있습니다.
백금과 티타늄을 결합하면 치수 안정성을 얻을 수 있습니다.두 금속 모두 경질 크롬 도금에 최적의 매개변수를 제공합니다.백금의 저항률은 0.107 Ohm×mm2/m으로 매우 낮습니다.납의 값은 납(0.208Ω×mm2/m)의 거의 두 배입니다.티타늄은 내식성이 우수하지만 할로겐화물이 있으면 이 능력이 감소됩니다.예를 들어, 염화물 함유 전해질에서 티타늄의 항복 전압은 pH에 따라 10~15V 범위입니다.이는 니오븀(35~50V), 탄탈륨(70~100V)에 비해 상당히 높은 수준이다.
티타늄은 황산, 질산, 불산, 수산 및 메탄술폰산과 같은 강산에 대한 내식성 측면에서 단점이 있습니다.하지만,티탄가공성과 가격으로 인해 여전히 좋은 선택입니다.
티타늄 기판에 백금층을 증착하는 것은 용융염에서 고온 전기분해(HTE)를 통해 전기화학적으로 가장 잘 수행됩니다.정교한 HTE 공정은 정밀한 코팅을 보장합니다. 약 1%~3%의 백금을 함유한 시안화칼륨과 시안화나트륨의 혼합물로 만든 550°C 용융조에서 귀금속이 전기화학적으로 티타늄에 증착됩니다.기질은 아르곤이 있는 폐쇄형 시스템에 잠겨 있고 염욕은 이중 도가니에 있습니다.1~5A/dm2의 전류는 0.5~2V의 코팅 장력으로 시간당 10~50미크론의 절연 속도를 제공합니다.
HTE 공정을 사용하는 백금화 양극은 수성 전해질로 코팅된 양극보다 성능이 훨씬 뛰어납니다.용융염으로 만든 백금 코팅의 순도는 99.9% 이상이며, 이는 수용액에서 증착된 백금 층의 순도보다 훨씬 높습니다.내부 장력을 최소화하면서 연성, 접착성 및 내식성이 크게 향상되었습니다.
양극 설계 최적화를 고려할 때 가장 중요한 것은 지지 구조와 양극 전원 공급 장치의 최적화입니다.가장 좋은 해결책은 티타늄 시트 코팅을 가열하여 구리 코어에 감는 것입니다.구리는 Pb/Sn 합금의 저항률의 약 9%에 불과한 이상적인 전도체입니다.CuTi 전원 공급 장치는 양극을 따라서만 전력 손실을 최소화하므로 음극 어셈블리의 층 두께 분포가 동일합니다.
또 다른 긍정적인 효과는 열이 덜 발생한다는 것입니다.냉각 요구 사항이 줄어들고 양극의 백금 마모가 줄어듭니다.부식 방지 티타늄 코팅은 구리 코어를 보호합니다.익스팬디드 메탈 재도장 시 프레임 및/또는 전원 공급 장치만 깨끗이 청소하여 준비합니다.여러 번 재사용할 수 있습니다.
이러한 설계 지침을 따르면 Pt/Ti 또는 Pt/Nb 모델을 사용하여 경질 크롬 도금을 위한 "이상적인 양극"을 만들 수 있습니다.치수 안정성 모델은 납 양극보다 투자 단계에서 더 많은 비용이 듭니다.그러나 비용을 더 자세히 고려하면 백금 도금 티타늄 모델이 경질 크롬 도금의 흥미로운 대안이 될 수 있습니다.
이는 기존 납과 백금 양극의 총 비용을 포괄적이고 철저하게 분석한 덕분이다.
PbSn7로 만들어진 8개의 납 합금 양극(길이 1700mm, 직경 40mm)을 원통형 부품의 크롬 도금을 위한 적절한 크기의 Pt/Ti 양극과 비교했습니다.8개의 납 양극을 생산하는 데 드는 비용은 약 1,400유로(1,471달러)로 얼핏 보면 저렴해 보입니다.필요한 Pt/Ti 양극을 개발하는 데 필요한 투자는 훨씬 더 높습니다.초기 구매 가격은 약 7,000유로입니다.플래티넘 마감재는 특히 비쌉니다.순수 귀금속만이 이 금액의 45%를 차지합니다.2.5μm 두께의 백금 코팅에는 8개의 양극 각각에 11.3g의 귀금속이 필요합니다.그램당 35유로의 가격으로 이는 3160유로에 해당합니다.
납 양극이 최선의 선택처럼 보일 수 있지만 면밀히 조사하면 빠르게 바뀔 수 있습니다.불과 3년 만에 납 양극의 총 비용은 Pt/Ti 모델보다 훨씬 높습니다.보수적인 계산 예에서는 일반적인 적용 자속 밀도가 40A/dm2라고 가정합니다.그 결과, 168dm2의 주어진 양극 표면에서 전력 흐름은 3년 동안 6700시간 작동 시 6720암페어였습니다.이는 연간 근무시간 10시간 중 약 220일에 해당합니다.백금이 용액으로 산화됨에 따라 백금층의 두께는 서서히 감소합니다.예에서 이는 백만 암페어 시간당 2그램으로 간주됩니다.
납 양극에 비해 Pt/Ti의 비용 이점에는 여러 가지 이유가 있습니다.또한, 전기 소비량 감소(가격 0.14 EUR/kWh - 연간 14,800kWh) 비용은 연간 약 2,000 EUR입니다.또한 납 크롬산염 슬러지 처리에 연간 약 500유로의 비용이 필요하지 않으며, 유지 관리 및 생산 중단 시간에 1000유로가 소요됩니다. 이는 매우 보수적인 계산입니다.
3년간 납 양극의 총 비용은 €14,400($15,130)였습니다.Pt/Ti 양극 비용은 재코팅을 포함해 12,020유로입니다.유지보수 비용과 생산 중단 시간(연간 하루 1,000유로)을 고려하지 않더라도 3년 후에 손익분기점에 도달합니다.이 시점부터 이들 사이의 격차는 Pt/Ti 양극에 유리하게 더욱 커집니다.
많은 산업 분야에서 고온 백금 코팅 전해 양극의 다양한 이점을 활용하고 있습니다.조명, 반도체 및 회로 기판 제조업체, 자동차, 유압 장치, 광산, 상수도 및 수영장은 이러한 코팅 기술에 의존합니다.지속 가능한 비용과 환경적 고려 사항이 장기적인 관심사이기 때문에 앞으로 더 많은 응용 프로그램이 개발될 것입니다.결과적으로 납에 대한 조사가 강화될 수 있습니다.
원본 기사는 독일 Aalen 응용과학 대학의 Timo Sörgel 교수가 편집한 Annual Surface Technology(Vol. 71, 2015)에 독일어로 게재되었습니다.Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/독일 제공.
대부분의 금속 마감 작업에서는 부품 표면의 특정 영역만 처리해야 하는 마스킹이 사용됩니다.대신, 처리가 필요하지 않거나 피해야 하는 표면에 마스킹을 사용할 수 있습니다.이 기사에서는 응용 프로그램, 기술 및 사용되는 다양한 유형의 마스킹을 포함하여 금속 마감 마스킹의 다양한 측면을 다룹니다.