עבור מחמם נדן טיטניום במיכל גימור מתכת עם תערובות כלוריד/אבץ גבוהות, מדוע צפיפות הזרם הקתודית על פני הצינור מהווה אילוץ עיצובי מרכזי?

מיכלי אבץ אלקטרוליטי, גלווניזציה או הנחת סגסוגת משמשים לגימור מתכת ומכילים תערובות מורכבות של אלקטרוליטים התכשירים האופייניים מורכבים מ-50-100 גרם/ליטר אבץ כלוריד (ZnCl2), מוליך אמוניום 4 קלוריד, אשלגן כלוריד (אשלגן כלוריד) (אשלגן כלוריד) וכמה מבהירים אורגניים. האמבטיה בטמפרטורה של 30-50 מעלות עם pH 4.5-6.0. עמידות בפני קורוזיה מוגדרת לעתים קרובות באמצעות מחממי נדן טיטניום. אולם אמבטיות אלו מייצרות מצב אלקטרוכימי בשוגג שבו צינור הטיטניום פועל כקתודה לשקיעת אבץ. יוני האבץ בתמיסה מצופים על פני הטיטניום על ידי פעולת המערכת החשמלית של המחמם עצמו או על ידי זרמים תועים ממיישר הציפוי. אם משקע האבץ נשאר דק ואחיד, הצינור מוגן, אך אם הוא מתרחב למבנים מחוספסים ונודולריים, הצינור מתחמם יתר על המידה ונכשל בטרם עת. הגורם הקובע הוא קצב העברת האלקטרונים המניע את הפחתת האבץ, כלומר, צפיפות הזרם הקתודי על פני הצינור.

מנגנון של שקיעת אבץ קתודי על מחממי טיטניום

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2), פיתוח אבץ מהיר יוצר מבנים דנדריטים המתקשרים עם חלקים אחרים של המיכל, מה שמוביל לקצרים והתחממות יתר מקומית.

מצב כשל בחימום לעומת צפיפות זרם: מתאם כמותי

בהתבסס על בדיקה מבוקרת באמבט כלוריד אבץ מדומה (80 גרם/ליטר ZnCl2, 100 גרם/ליטר KCl, 50 מעלות) זוהו דפוסי הכשל הבאים עבור מחממי טיטניום דרגה 2:

צפיפות זרם קתודי נמוכה מ-1 mA/cm²: מהירות משקולת אבץ 0.1-0.3 מ"מ לחודש. משקעים דביקים, חלקים ועדינים. טמפרטורת המחמם קבועה. ניתן להשתמש בהפשטת חומצה להסרת משקעים מבלי לפגוע למתכת הבסיס.

צפיפות זרם קתודית 1-3 mA/cm2 קצב שקיעת אבץ 0.5-1.0 מ"מ לחודש. הפיקדון הוא נודולרי עם נקבוביות של 20 עד 30%. התחממות יתר מקומית בשיא ההפקדה מעלה את טמפרטורת פני הטיטניום ב-10-15 מעלות מעל נקודת ההגדרה. מחמם פועל לעתים קרובות מדי.

צפיפות זרם קתודית 3-8 mA/cm2 קצב שקיעת אבץ 1.5-3.0 מ"מ לחודש תוך 2-4 שבועות, ההתפתחות הדנדרטית היא באורך 5-10 מ"מ. דנדריטים משתרעים על קירות מיכל או תנורי חימום אחרים, מקצרים. כשל בחימום נובע מהתכה מקומית במקומות מגע.

צפיפות זרם קתודי > 10 mA/cm2: קצב שקיעת אבץ > 5 מ"מ לחודש. צמיחה דנדרטית מהירה בלתי מבוקרת. מחמם נושב בדרך כלל תוך 1-2 שבועות. כאשר אבץ מתפרק, מתכת הבסיס הטיטניום עלולה להיות נתונה לקורוזיה פעילה.

2.0 אסטרטגיות לבקרת צפיפות זרם במיכלי גימור מתכת

הטבלה הבאה נותנת עץ החלטות לניהול צפיפות זרם קתודית על מחממי נדן טיטניום בהתבסס על תצורת המיכל והסביבה החשמלית.

הגדרת מיכל וסטטוס חשמלי אסטרטגיית שינוי ובקרה עיצוב עבור צפיפות זרם קתודי מרבית מותרת
מיכל מוארק כהלכה, מחמם מבודד חשמלי מהמיכל, ללא זרמים תועים 2 mA/cm2 מקובל לפעולה רגילה. ניטור חודשי של עובי הפיקדון. נקה דוד כל 3-6 חודשים.
אוגן מחמם במגע חשמלי עם מיכל (קתודי, נתיב חשמלי קיים) 0.5 mA/cm² הכנס אטם מבודד (PTFE, 3 מ"מ) בין אוגן המחמם למיכל. "הורד את צפיפות הזרם ל-25%."
Stray currents from rectifier (measured >0.5 וולט בין מחמם לאלקטרודת ייחוס) 0.2 mA/cm2התקן מוט הארקה על ידי מחמם. מחמם מגן, עם צינורות PTFE מחוררים לשיפור תוואי ההתנגדות החשמלית
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 מעלות ) 1 mA/cm2 תכולת אבץ נמוכה יותר או טמפרטורת אמבטיה נמוכה יותר. Zn גבוה יותר 2+ מגביר את קצב השקיעה בצפיפות זרם דומה.
מחמם מופעל במיכל עם קתודות עזר (קתודות גנב) לחלוקת זרם 3 mA/cm^2 קתודות גנבים מסיטות את הזרם הרחק ממחמם. בסדר שגנבים ינוקו מדי שבוע.
הנדסה מעבר לשליטה של ​​צפיפות זרם קתודית

לגימור פני השטח של צינור הטיטניום יש השפעה חזקה על הידבקות אבץ. המשטח החלק אלקטרופוליש (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

כתיבת מפרט מושכל

לדוגמה, אם אתה זקוק למחמם מעטפת טיטניום עבור מיכל גימור מתכת עם שילובי כלוריד/אבץ גבוהים, ציין כי המחמם יהיה מבודד חשמלי מהמיכל באמצעות אטמי PTFE ותותבים. הגדר צפיפות זרם קתודי מקסימלית מותרת של 1mA/cm2 בהתבסס על שטח פני המחמם וזרמי תועה שנרשמו במיכל. בקש מהספק לספק תנור חימום עם גימור משטח מלוטש אלקטרו, להסרה קלה של משקעי אבץ. עבור התקנות קיימות, מדוד את המתח בין מעטפת המחמם לאלקטרודת ייחוס נחושת-סולפטית נחושת במהלך תהליכי הציפוי. אם הקריאה גדולה מ-0.3 V זה מצביע על קיטוב קתודי רב מדי וצריך תיקון. מסופקת מערכת זרם הפוך מבוקרת-שמספקת דופק אנודי קצר (1 עד 2 שניות בצפיפות זרם של 2 עד 3 mA/cm 2 ) בכל שעה כדי להמיס משקעי אבץ מתחילים לפני שהם מתפתחים לגושים. המהנדס מגביל את צפיפות הזרם הקתודי כמגבלה חיונית בתכנון כדי למנוע כשל מדורג של פיתוח אבץ דנדריטי, התחממות יתר וקצר מעגלים בתנורי טיטניום המשמשים ביישומי ציפוי אלקטרוני.