Waarom vertoont titaniumklasse 7 bij het verwarmen van ijzerchloride-etsmiddel (42 graden Bé) op 50 graden een lagere algemene corrosiesnelheid (0,01 mm/jaar) dan klasse 2 (0,2 mm/jaar)?
Laat een bericht achter
IJzerchloride (FeCl₃)-etsmiddel bij 42 graden Bé (ongeveer 38-40% FeCl₃ op gewichtsbasis) is het typische medium voor het etsen van met koper-beklede printplaten en voor het chemisch frezen van metalen. De oplossing is zeer oxiderend, intens zuur (pH 0,5-1,0) en bevat ongeveer 200-250 g/l chloride-ionen. Titanium wordt veelvuldig gebruikt voor dompelverwarmers in FeCl3-etslijnen vanwege zijn uitstekende weerstand tegen chloride-putvorming onder oxiderende omstandigheden. Maar er zijn belangrijke verschillen tussen commercieel zuiver klasse 2 en palladium-gestabiliseerd klasse 7 titanium. Bij langdurig gebruik bij 50 graden bedraagt de algemene corrosiesnelheid van klasse 7 0,01-0,03 mm per jaar, terwijl graad 2 corrodeert met 0,15-0,25 mm per jaar, een verschil van factor 10. Dit artikel beschrijft het elektrochemische mechanisme van dit prestatieverschil en definieert wanneer de extra kosten van klasse 7 gerechtvaardigd zijn door de verminderde corrosiesnelheid.
IJzerchloride als oxidatiemiddel
IJzerchloride is een sterk oxidatiemiddel dankzij het Fe 3+ /Fe 2+ redoxpaar met een typisch reductiepotentieel van +0.77 V vs. SHE. Het effectieve potentieel is +0.6 tot +0.8 V versus SCE in geconcentreerde oplossing bij 50 graden. Dit zou een zeer oxiderende omgeving moeten zijn en er wordt verwacht dat het titanium volledig passiveert. Zowel Graad 2 als Graad 7 zijn passief. De passieve laag op titanium is niet statisch, maar lost voortdurend op en hervormt zich. De oplossnelheid wordt bepaald door de chemie van het grensvlak van de titanium-oplossing, in het bijzonder de concentratie van complexvormende anionen (chloride) en de aanwezigheid van edelmetaalkatalysatoren.
FeCl3 klasse 2 corrosiemechanisme
De passieve TiO₂-coating op klasse 2 titanium in FeCl₃-oplossing is langzaam chemisch opgelost TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. Het TiCl₄ wordt gehydrolyseerd tot oplosbare soorten. Gelijktijdig met desintegratie wordt de film opnieuw-gevormd door interactie van titanium met water of zuurstof. De steady-state corrosiesnelheid bij 50 graden bedraagt 0,15–0,25 mm per jaar, het resultaat van het verschil tussen de oplos- en repassiveringssnelheden. De snelheid is temperatuurafhankelijk: bij 40 graden corrodeert graad 2 met 0,05-0,10 mm/jaar, bij 60 graden stijgt de snelheid naar 0,4-0,6 mm/jaar.
Corrosie is wijdverspreid (universeel) en veroorzaakt geen putvorming. Een buiswand van klasse 2 zal tijdens de gebruiksmaanden langzaam en gelijkmatig dunner worden. Een buis van 1,65 mm dik die bij 50 graden wordt gebruikt, verliest ongeveer 0,2 mm per jaar, wat leidt tot een levensduur van 5–8 jaar totdat de minimaal toegestane wanddikte is bereikt (meestal 1,0 mm voor mechanische integriteit).
Graad 7 kathodische behandeling
Titanium in grade 7 contains between 0.12 to 0.25% palladium, which is dispersed as fine islands throughout the titanium matrix. Titanium has a good cathodic site and is less noble than Palladium. The main cathodic reaction on Pd in FeCl3 solution is . Fe3+ + e- ->Fe2+ Deze reactie wordt geïnitieerd bij een lagere overpotentiaal op palladium dan op titanium, wat erop wijst dat het merendeel van de kathodische stroom plaatsvindt op de palladiumplaatsen. De titaniummatrix polariseert naar een nobeler potentieel, vaak +0.3 tot +0.5 V nobeler dan Graad 2 onder dezelfde omstandigheden.
Naarmate dit nobeler potentieel de oplossnelheid van de TiO₂-film exponentieel daalt. Elektrochemische tests geven aan dat de passieve stroomdichtheid van klasse 7 in FeCl3 bij 50 graden 0,5-1,0 µA/cm2 bedraagt, wat overeenkomt met een corrosiesnelheid van 0,005-0,010 mm per jaar. Het palladium hoeft niet het hele oppervlak te bedekken, omdat 0,5-1,0% palladiumeilandjes op het oppervlak voldoende zijn om kathodische bescherming te garanderen.
Vergelijking van prestaties op de lange termijn-
Veldvalidatie wordt geleverd door veldgegevens van PCB-etsfaciliteiten met behulp van 42 graden Bé FeCl3 bij 50 graden. Klasse 2 titanium verwarmingselementen (1,65 mm wand) hebben normaal gesproken een levensduur van 5-7 jaar bij het uitdunnen van de wand en moeten worden vervangen. Verwarmingsklasse 7 (1,65 mm wand) zijn al 15+ jaar in gebruik met gemeten wanddikteverliezen van in totaal minder dan 0,2 mm. Graad 7 kost vooraf meer (ongeveer 30-40% meer dan Graad 2), maar betaalt zichzelf terug met een langere levensduur en minder uitvaltijd.
Materiaal Algemene corrosiesnelheid bij 50 graden Tijd tot 50% wandverlies (1,65 mm tot 0,8 mm)Toepassing Relatieve kostenfactor Kosten-Effectief
Graad 2 titanium 0,15-0,25 mm/jr 3-5 jaar 1,0x Laag volume, intermitterend etsen
Graad 7 titanium 0,01-0,03 mm/jaar 15-25 jaar 1,3-1,4x Groot volume, continu proces
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/jaar 10-15 jaar 2,5-3,0x Alleen gespecialiseerde toepassingen
FeCl₃ Toepassingsmatrix voor selectie van warmtebronnen
Etsbedrijfstemperatuur Badomloopsnelheid Aanbevolen titaniumkwaliteit Verwachte levensduur van verwarming (1,65 mm wand)
PCB-prototyping met laag-volume 50 graden Intermitterend, badvervanging maandelijks Graad 2 5-7 jaar
hoogvolume PCB-fabricage 50 graden continu, badgeregenereerd klasse 7 12-15 jaar
Chemisch etsen (dik metaal) 55-60 graden Intensief gebruik, continu Klasse 7 8-10 jaar
Geregenereerd FeCl₃ (laag Fe²⁺) 50 graden Continu Graad 7 15+ jaar
Gebruikt FeCl₃ (hoog Fe²⁺, minder oxiderend) 50 graden Batchverwerking Graad 2 4-6 jaar
De kathodische modificatie door palladium in titaniumklasse 7 leidt tot een totale corrosiesnelheid van ongeveer een twintigste van die van klasse 2 in ijzerchloride-etsmiddel bij 42 graden B en 50 graden C. De palladiumlocaties modificeren de titaniumoppervlaktepotentiaal tot een nobelere waarde, wat leidt tot een afname van de passieve filmafbraak. Voor etsbewerkingen met een continue hoge-productie waarbij de betrouwbaarheid van de verwarming en een lange levensduur van primair belang zijn, zijn de hogere startkosten van klasse 7 gerechtvaardigd. Graad 2 blijft de kosteneffectieve keuze voor intermitterend of laag volumegebruik waarbij een levensduur van de verwarming van 5-7 jaar acceptabel is. Vraag bij het specificeren naar de werkelijke corrosiesnelheid die is geregistreerd in de specifieke FeCl3-oplossing. Sporen van verontreinigingen (koper, nikkel) kunnen de prestaties beïnvloeden.
