W firmie Umicore Electroplating w Niemczech stosuje się anody elektrolityczne o wysokiej temperaturze.W tym procesie platynę osadza się na materiałach podstawowych, takich jak tytan, niob, tantal, molibden, wolfram, stal nierdzewna i stopy niklu, w kąpieli ze stopioną solą w temperaturze 550°C w atmosferze argonu.
Rysunek 2: Anoda platynowo-tytanowa powlekana galwanicznie w wysokiej temperaturze zachowuje swój kształt przez długi czas.
Rysunek 3: Anoda Pt/Ti z siatki cięto-ciągnionej.Rozszerzona siatka metalowa zapewnia optymalny transport elektrolitu.Można zmniejszyć odległość pomiędzy elementami anody i katody oraz zwiększyć gęstość prądu.Wynik: lepsza jakość w krótszym czasie.
Rysunek 4: Można regulować szerokość siatki na anodzie z siatki cięto-ciągnionej.Siatka zapewnia zwiększoną cyrkulację elektrolitu i lepsze usuwanie gazów.
Ołów jest bacznie obserwowany na całym świecie.W USA władze odpowiedzialne za służbę zdrowia i miejsca pracy przestrzegają swoich ostrzeżeń.Pomimo wieloletniego doświadczenia firm galwanicznych w postępowaniu z materiałami niebezpiecznymi, metal jest nadal coraz bardziej krytycznie postrzegany.
Na przykład każda osoba używająca anod ołowiowych w Stanach Zjednoczonych musi zarejestrować się w federalnym rejestrze uwalniania toksycznych substancji chemicznych Agencji Ochrony Środowiska (EPA).Jeśli firma galwaniczna przetwarza tylko około 29 kg ołowiu rocznie, nadal wymagana jest rejestracja.
Dlatego należy szukać alternatywy w USA.Instalacja do chromowania twardego z anodą ołowiową nie tylko na pierwszy rzut oka wydaje się tania, ale ma także wiele wad:
Anody stabilne wymiarowo stanowią interesującą alternatywę dla chromowania twardego (patrz rys. 2) z powierzchnią platynową na podłożu z tytanu lub niobu.
Anody pokryte platyną mają wiele zalet w porównaniu z twardym chromowaniem.Należą do nich następujące korzyści:
Aby uzyskać idealne rezultaty, należy dostosować anodę do konstrukcji części, która ma być powlekana.Dzięki temu możliwe jest uzyskanie anod o stabilnych wymiarach (płyty, cylindry, w kształcie litery T i U), natomiast anody ołowiane to głównie standardowe blachy lub pręty.
Anody Pt/Ti i Pt/Nb nie mają zamkniętych powierzchni, lecz raczej blachy cięto-ciągnione o zmiennym rozmiarze oczek.Prowadzi to do dobrej dystrybucji energii, pola elektryczne mogą działać w sieci i wokół niej (patrz rys. 3).
Dlatego im mniejsza odległość międzyanodai katody, tym większa jest gęstość strumienia powłoki.Warstwy można nakładać szybciej: wydajność jest zwiększona.Zastosowanie siatek o dużej powierzchni efektywnej może znacząco poprawić warunki separacji.
Stabilność wymiarową można osiągnąć poprzez połączenie platyny i tytanu.Obydwa metale zapewniają optymalne parametry chromowania twardego.Rezystywność platyny jest bardzo niska, tylko 0,107 oma × mm2/m.Wartość ołowiu jest prawie dwukrotnie większa niż ołowiu (0,208 oma × mm2/m).Tytan ma doskonałą odporność na korozję, jednak zdolność ta jest zmniejszona w obecności halogenków.Na przykład napięcie przebicia tytanu w elektrolitach zawierających chlorki mieści się w zakresie od 10 do 15 V, w zależności od pH.Jest to znacznie więcej niż w przypadku niobu (35 do 50 V) i tantalu (70 do 100 V).
Tytan ma wady związane z odpornością na korozję w mocnych kwasach, takich jak kwas siarkowy, azotowy, fluorowodorowy, szczawiowy i metanosulfonowy.Jednakże,tytanjest nadal dobrym wyborem ze względu na łatwość obróbki i cenę.
Osadzanie warstwy platyny na podłożu tytanowym najlepiej przeprowadzić elektrochemicznie, metodą elektrolizy w wysokiej temperaturze (HTE) w stopionych solach.Wyrafinowany proces HTE zapewnia precyzyjne powlekanie: w kąpieli stopionej o temperaturze 550°C wykonanej z mieszaniny cyjanków potasu i sodu zawierającej około 1% do 3% platyny, metal szlachetny jest elektrochemicznie osadzany na tytanie.Podłoże zamknięte jest w układzie zamkniętym z argonem, a kąpiel solna w podwójnym tyglu.Prądy od 1 do 5 A/dm2 zapewniają współczynnik izolacji od 10 do 50 mikronów na godzinę przy napięciu powłoki od 0,5 do 2 V.
Anody platynowane przy użyciu procesu HTE znacznie przewyższają anody pokryte wodnym elektrolitem.Czystość powłok platynowych ze stopionej soli wynosi co najmniej 99,9% i jest znacznie wyższa niż w przypadku warstw platyny osadzanych z roztworów wodnych.Znacząco poprawiona plastyczność, przyczepność i odporność na korozję przy minimalnym naprężeniu wewnętrznym.
Rozważając optymalizację konstrukcji anody, najważniejsza jest optymalizacja konstrukcji wsporczej i zasilania anody.Najlepszym rozwiązaniem jest podgrzanie i nawinięcie powłoki z blachy tytanowej na rdzeń miedziany.Miedź jest idealnym przewodnikiem, którego rezystywność stanowi zaledwie około 9% rezystancji stopów Pb/Sn.Zasilacz CuTi zapewnia minimalne straty mocy tylko na anodzie, dzięki czemu rozkład grubości warstw na zespole katody jest taki sam.
Kolejnym pozytywnym efektem jest to, że wytwarza się mniej ciepła.Zmniejszają się wymagania dotyczące chłodzenia i zmniejsza się zużycie platyny na anodzie.Antykorozyjna powłoka tytanowa chroni miedziany rdzeń.Podczas ponownego malowania siatki cięto-ciągnionej oczyść i przygotuj tylko ramę i/lub zasilacz.Można je wielokrotnie używać ponownie.
Postępując zgodnie z tymi wytycznymi projektowymi, można wykorzystać modele Pt/Ti lub Pt/Nb do stworzenia „idealnych anod” do chromowania twardego.Modele stabilne wymiarowo kosztują na etapie inwestycji więcej niż anody ołowiowe.Jednak biorąc pod uwagę bardziej szczegółowo koszt, model z tytanu platerowanego platyną może być ciekawą alternatywą dla twardego chromowania.
Wynika to z kompleksowej i dokładnej analizy całkowitego kosztu konwencjonalnych anod ołowiowych i platynowych.
Porównano osiem anod ze stopu ołowiu (długość 1700 mm i średnica 40 mm) wykonanych z PbSn7 z anodami Pt/Ti o odpowiednich wymiarach do chromowania części cylindrycznych.Produkcja ośmiu anod ołowiowych kosztuje około 1400 euro (1471 dolarów), co na pierwszy rzut oka wydaje się tanie.Inwestycje wymagane do opracowania wymaganych anod Pt/Ti są znacznie wyższe.Początkowa cena zakupu wynosi około 7 000 euro.Wykończenia platynowe są szczególnie drogie.Tylko czyste metale szlachetne stanowią 45% tej kwoty.Powłoka platynowa o grubości 2,5 µm wymaga 11,3 g metalu szlachetnego na każdą z ośmiu anod.Przy cenie 35 euro za gram odpowiada to 3160 euro.
Chociaż anody ołowiowe mogą wydawać się najlepszym wyborem, może to szybko się zmienić po bliższym przyjrzeniu się.Już po trzech latach całkowity koszt anody ołowiowej jest znacznie wyższy niż w przypadku modelu Pt/Ti.W konserwatywnym przykładzie obliczeniowym załóż typową gęstość strumienia aplikacyjnego wynoszącą 40 A/dm2.W rezultacie przepływ mocy przy danej powierzchni anody wynoszącej 168 dm2 wyniósł 6720 amperów przy 6700 godzinach pracy przez trzy lata.Odpowiada to około 220 dniom pracy z 10 godzin pracy w roku.W miarę utleniania platyny do roztworu grubość warstwy platyny powoli maleje.W tym przykładzie przyjmuje się, że jest to 2 gramy na milion amperogodzin.
Istnieje wiele powodów przewagi kosztowej Pt/Ti nad anodami ołowiowymi.Dodatkowo obniżone zużycie energii elektrycznej (cena 0,14 EUR/kWh minus 14 800 kWh/rok) kosztuje około 2 000 EUR rocznie.Ponadto nie ma już potrzeby ponoszenia rocznych kosztów w wysokości około 500 euro za usuwanie szlamu chromianu ołowiu, a także 1000 euro za konserwację i przestoje w produkcji – bardzo ostrożne obliczenia.
Całkowity koszt anod ołowiowych w ciągu trzech lat wyniósł 14 400 euro (15 130 dolarów).Koszt anod Pt/Ti wynosi 12 020 euro, łącznie z ponownym powlekaniem.Nawet bez uwzględnienia kosztów konserwacji i przestojów produkcyjnych (1000 euro dziennie rocznie) próg rentowności osiągany jest po trzech latach.Od tego momentu odstęp między nimi zwiększa się jeszcze bardziej na korzyść anody Pt/Ti.
Wiele gałęzi przemysłu korzysta z różnych zalet wysokotemperaturowych anod elektrolitycznych pokrytych platyną.Producenci oświetlenia, półprzewodników i płytek drukowanych, producenci samochodów, hydrauliki, górnictwa, wodociągów i basenów polegają na tych technologiach powlekania.W przyszłości z pewnością powstanie więcej zastosowań, ponieważ kwestie zrównoważonych kosztów i ochrony środowiska mają charakter długoterminowy.W rezultacie ołów może zostać poddany zwiększonej kontroli.
Oryginalny artykuł został opublikowany w języku niemieckim w Annual Surface Technology (Vol. 71, 2015) pod redakcją prof. Timo Sörgela z Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Aalen w Niemczech.Dzięki uprzejmości Eugena G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/Niemcy.
W większości operacji wykańczania metali stosuje się maskowanie, w którym należy obrobić tylko określone obszary powierzchni części.Zamiast tego można zastosować maskowanie na powierzchniach, których obróbka nie jest wymagana lub której należy unikać.W tym artykule omówiono wiele aspektów maskowania z wykończeniem metalowym, w tym zastosowania, techniki i różne rodzaje stosowanych maskowań.