Mạ điện Umicore ở Đức sử dụng cực dương điện phân ở nhiệt độ cao.Trong quá trình này, bạch kim được lắng đọng trên các vật liệu cơ bản như titan, niobi, tantalum, molypden, vonfram, thép không gỉ và hợp kim niken trong bể muối nóng chảy ở 550°C dưới tác dụng của argon.
Hình 2: Cực dương bạch kim/titan mạ điện ở nhiệt độ cao vẫn giữ được hình dạng trong một thời gian dài.
Hình 3: Cực dương Pt/Ti dạng lưới mở rộng.Lưới kim loại mở rộng giúp vận chuyển chất điện giải tối ưu.Khoảng cách giữa các thành phần cực dương và cực âm có thể giảm xuống và mật độ dòng điện tăng lên.Kết quả: chất lượng tốt hơn trong thời gian ngắn hơn.
Hình 4: Có thể điều chỉnh độ rộng của lưới trên cực dương lưới kim loại mở rộng.Lưới giúp tăng cường lưu thông chất điện giải và loại bỏ khí tốt hơn.
Chì được theo dõi chặt chẽ trên toàn thế giới.Tại Mỹ, các cơ quan y tế và nơi làm việc đang tuân thủ các cảnh báo của họ.Bất chấp kinh nghiệm nhiều năm của các công ty mạ điện trong việc xử lý các vật liệu nguy hiểm, kim loại vẫn ngày càng được xem xét nghiêm túc hơn.
Ví dụ: bất kỳ ai sử dụng cực dương chì ở Hoa Kỳ đều phải đăng ký với Cơ quan đăng ký phát hành hóa chất độc hại liên bang của EPA.Nếu một công ty mạ điện chỉ xử lý khoảng 29 kg chì mỗi năm thì vẫn phải đăng ký.
Vì vậy, cần phải tìm kiếm giải pháp thay thế ở Mỹ.Dây chuyền mạ crom cứng anode chì thoạt nhìn không những có vẻ rẻ tiền mà còn có rất nhiều nhược điểm:
Cực dương có kích thước ổn định là một giải pháp thay thế thú vị cho lớp mạ crom cứng (xem Hình 2) với bề mặt bạch kim trên titan hoặc niobi làm chất nền.
Cực dương được phủ bạch kim mang lại nhiều lợi thế hơn so với mạ crom cứng.Chúng bao gồm những lợi ích sau:
Để có kết quả lý tưởng, hãy điều chỉnh cực dương cho phù hợp với thiết kế của bộ phận được phủ.Điều này giúp có thể thu được cực dương có kích thước ổn định (tấm, hình trụ, hình chữ T và hình chữ U), trong khi cực dương chì chủ yếu là tấm hoặc thanh tiêu chuẩn.
Cực dương Pt/Ti và Pt/Nb không có bề mặt kín mà là các tấm kim loại mở rộng với kích thước mắt lưới có thể thay đổi.Điều này dẫn đến sự phân phối năng lượng tốt, điện trường có thể hoạt động trong và xung quanh mạng (xem Hình 3).
Vì vậy, khoảng cách giữacực dươngvà cực âm thì mật độ từ thông của lớp phủ càng cao.Các lớp có thể được áp dụng nhanh hơn: năng suất tăng lên.Việc sử dụng lưới có diện tích bề mặt hiệu quả lớn có thể cải thiện đáng kể các điều kiện phân tách.
Độ ổn định kích thước có thể đạt được bằng cách kết hợp bạch kim và titan.Cả hai kim loại đều cung cấp các thông số tối ưu cho quá trình mạ crom cứng.Điện trở suất của bạch kim rất thấp, chỉ 0,107 Ohm×mm2/m.Giá trị của chì gần như gấp đôi chì (0,208 ohm×mm2/m).Titan có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, tuy nhiên khả năng này bị giảm khi có halogenua.Ví dụ, điện áp đánh thủng của titan trong chất điện phân chứa clorua dao động từ 10 đến 15 V, tùy thuộc vào độ pH.Giá trị này cao hơn đáng kể so với niobi (35 đến 50 V) và tantalum (70 đến 100 V).
Titan có nhược điểm về khả năng chống ăn mòn trong các axit mạnh như axit sulfuric, nitric, hydrofluoric, oxalic và metansulfonic.Tuy nhiên,titanvẫn là một lựa chọn tốt do khả năng gia công và giá cả của nó.
Việc lắng đọng một lớp bạch kim trên đế titan được thực hiện tốt nhất bằng phương pháp điện hóa bằng phương pháp điện phân ở nhiệt độ cao (HTE) trong muối nóng chảy.Quy trình HTE phức tạp đảm bảo lớp phủ chính xác: trong bể nóng chảy ở nhiệt độ 550°C được làm từ hỗn hợp kali và natri xyanua chứa khoảng 1% đến 3% bạch kim, kim loại quý được lắng đọng điện hóa trên titan.Chất nền được khóa trong một hệ thống khép kín bằng argon và bể muối nằm trong nồi nấu kim loại đôi.Dòng điện từ 1 đến 5 A/dm2 cung cấp tốc độ cách điện từ 10 đến 50 micron mỗi giờ với độ căng lớp phủ từ 0,5 đến 2 V.
Cực dương được platin hóa sử dụng quy trình HTE có hiệu suất vượt trội hơn rất nhiều so với cực dương được phủ chất điện phân nước.Độ tinh khiết của lớp phủ bạch kim từ muối nóng chảy ít nhất là 99,9%, cao hơn đáng kể so với lớp bạch kim lắng đọng từ dung dịch nước.Cải thiện đáng kể độ dẻo, độ bám dính và khả năng chống ăn mòn với sức căng bên trong tối thiểu.
Khi xem xét việc tối ưu hóa thiết kế cực dương, điều quan trọng nhất là tối ưu hóa cấu trúc hỗ trợ và nguồn điện cho cực dương.Giải pháp tốt nhất là làm nóng và quấn lớp phủ tấm titan lên lõi đồng.Đồng là chất dẫn điện lý tưởng có điện trở suất chỉ bằng khoảng 9% điện trở suất của hợp kim Pb/Sn.Bộ nguồn CuTi đảm bảo tổn thất điện năng tối thiểu chỉ dọc theo cực dương, do đó sự phân bổ độ dày lớp trên cụm cực âm là như nhau.
Một tác động tích cực khác là tạo ra ít nhiệt hơn.Yêu cầu làm mát giảm và độ mòn bạch kim trên cực dương giảm.Lớp phủ titan chống ăn mòn bảo vệ lõi đồng.Khi sơn lại phần kim loại giãn nở, chỉ làm sạch và chuẩn bị khung và/hoặc nguồn điện.Chúng có thể được tái sử dụng nhiều lần.
Bằng cách làm theo các nguyên tắc thiết kế này, bạn có thể sử dụng mô hình Pt/Ti hoặc Pt/Nb để tạo ra “cực dương lý tưởng” cho lớp mạ crom cứng.Các mô hình có kích thước ổn định có giá cao hơn ở giai đoạn đầu tư so với cực dương bằng chì.Tuy nhiên, khi xem xét chi phí một cách chi tiết hơn, mẫu titan mạ bạch kim có thể là một sự thay thế thú vị cho lớp mạ crom cứng.
Điều này là do sự phân tích toàn diện và kỹ lưỡng về tổng chi phí của cực dương chì và bạch kim thông thường.
Tám cực dương hợp kim chì (dài 1700 mm và đường kính 40 mm) làm bằng PbSn7 được so sánh với cực dương Pt/Ti có kích thước phù hợp để mạ crom các bộ phận hình trụ.Việc sản xuất tám cực dương chì có giá khoảng 1.400 euro (1.471 đô la Mỹ), thoạt nhìn có vẻ rẻ.Khoản đầu tư cần thiết để phát triển cực dương Pt/Ti cần thiết cao hơn nhiều.Giá mua ban đầu là khoảng 7.000 euro.Lớp hoàn thiện bạch kim đặc biệt đắt tiền.Chỉ có kim loại quý nguyên chất mới chiếm 45% số tiền này.Lớp phủ bạch kim dày 2,5 µm cần 11,3 g kim loại quý cho mỗi cực dương trong số 8 cực dương.Với mức giá 35 euro mỗi gram, con số này tương ứng với 3160 euro.
Mặc dù cực dương bằng chì có vẻ là lựa chọn tốt nhất nhưng điều này có thể nhanh chóng thay đổi khi kiểm tra kỹ hơn.Chỉ sau ba năm, tổng chi phí của cực dương chì cao hơn đáng kể so với mô hình Pt/Ti.Trong ví dụ tính toán thận trọng, giả sử mật độ từ thông ứng dụng điển hình là 40 A/dm2.Kết quả là, dòng điện ở bề mặt anode nhất định có diện tích 168 dm2 là 6720 ampe ở 6700 giờ hoạt động trong ba năm.Điều này tương ứng với khoảng 220 ngày làm việc trong tổng số 10 giờ làm việc mỗi năm.Khi bạch kim bị oxy hóa thành dung dịch, độ dày của lớp bạch kim giảm dần.Trong ví dụ này, giá trị này được coi là 2 gram trên một triệu amp-giờ.
Có nhiều lý do giải thích lợi thế về chi phí của Pt/Ti so với cực dương chì.Ngoài ra, lượng điện tiêu thụ giảm (giá 0,14 EUR/kWh trừ 14.800 kWh/năm) tiêu tốn khoảng 2.000 EUR/năm.Ngoài ra, không còn cần chi phí hàng năm khoảng 500 euro cho việc xử lý bùn chì cromat cũng như 1000 euro cho thời gian ngừng sản xuất và bảo trì – những tính toán rất thận trọng.
Tổng chi phí của cực dương chì trong ba năm là 14.400 € (15.130 USD).Chi phí của cực dương Pt/Ti là 12.020 euro, bao gồm cả lớp sơn lại.Ngay cả khi không tính đến chi phí bảo trì và thời gian ngừng sản xuất (1000 euro mỗi ngày mỗi năm), điểm hòa vốn vẫn đạt được sau ba năm.Kể từ thời điểm này, khoảng cách giữa chúng càng tăng lên theo hướng có lợi cho cực dương Pt/Ti.
Nhiều ngành công nghiệp tận dụng những lợi ích khác nhau của cực dương điện phân được phủ bạch kim ở nhiệt độ cao.Các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng, chất bán dẫn và bảng mạch, ô tô, thủy lực, khai thác mỏ, nhà máy nước và bể bơi đều dựa vào các công nghệ phủ này.Nhiều ứng dụng hơn chắc chắn sẽ được phát triển trong tương lai vì chi phí bền vững và các cân nhắc về môi trường là mối quan tâm lâu dài.Kết quả là, chì có thể phải đối mặt với sự giám sát ngày càng tăng.
Bài viết gốc được đăng bằng tiếng Đức trên tạp chí Công nghệ bề mặt hàng năm (Tập 71, 2015) do Giáo sư Timo Sörgel từ Đại học Khoa học Ứng dụng Aalen, Đức biên tập.Được phép của Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau/Đức.
Trong hầu hết các hoạt động hoàn thiện kim loại, mặt nạ được sử dụng, trong đó chỉ nên xử lý một số khu vực nhất định trên bề mặt của bộ phận.Thay vào đó, mặt nạ có thể được sử dụng trên các bề mặt không cần thiết hoặc nên tránh xử lý.Bài viết này đề cập đến nhiều khía cạnh của lớp phủ hoàn thiện bằng kim loại, bao gồm các ứng dụng, kỹ thuật và các loại lớp phủ khác nhau được sử dụng.