Khi đun nóng Ferric Chloride Etchant (42 độ Bé) ở 50 độ, Tại sao Titanium Lớp 7 có Tỷ lệ Ăn mòn Chung Thấp hơn (0,01 mm/năm) So với Lớp 2 (0,2 mm/năm)?

Chất ăn mòn clorua sắt (FeCl₃) ở nhiệt độ 42 độ Bé (khoảng 38-40% FeCl₃ tính theo trọng lượng) là môi trường điển hình để khắc các bảng mạch bọc đồng-và để nghiền hóa học kim loại. Dung dịch này có tính oxy hóa rất cao, có tính axit mạnh (pH 0,5-1,0) và chứa khoảng 200-250 g/L ion clorua. Titan được sử dụng rộng rãi cho các lò sưởi ngâm trong dây chuyền khắc FeCl 3 do khả năng chống rỗ clorua tuyệt vời trong điều kiện oxy hóa. Nhưng có những khác biệt quan trọng giữa titan Loại 2 tinh khiết về mặt thương mại và titan Loại 7 được ổn định bằng paladi. Trong sử dụng lâu dài ở 50 độ, tốc độ ăn mòn chung của Cấp 7 là 0,01-0,03 mm mỗi năm trong khi Cấp 2 ăn mòn ở mức 0,15-0,25 mm mỗi năm, chênh lệch gấp 10 lần. Bài viết này mô tả cơ chế điện hóa của khoảng cách hiệu suất này và xác định khi nào chi phí tăng thêm của Lớp 7 được chứng minh bằng tốc độ ăn mòn giảm.

Sắt clorua làm chất oxy hóa
Sắt clorua là chất oxy hóa mạnh do cặp oxi hóa khử Fe 3+ /Fe 2+ có khả năng khử điển hình là +0.77 V so với SHE. Điện thế hiệu dụng là từ +0.6 đến +0.8 V so với SCE trong dung dịch đậm đặc ở 50 độ . Đây sẽ là một môi trường có tính oxy hóa cao và dự kiến ​​sẽ làm thụ động hoàn toàn titan. Cả lớp 2 và lớp 7 đều bị động. Lớp thụ động trên titan không tĩnh mà liên tục hòa tan và tái tạo. Tốc độ hòa tan được kiểm soát bởi tính chất hóa học của bề mặt dung dịch titan, đặc biệt là nồng độ của các anion tạo phức (clorua) và sự hiện diện của chất xúc tác kim loại quý.

Cơ chế ăn mòn FeCl3 cấp 2
Lớp phủ TiO₂ thụ động trên titan Loại 2 trong dung dịch FeCl₃ được hòa tan chậm về mặt hóa học TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl₄ bị thủy phân thành các chất hòa tan. Đồng thời với sự tan rã, màng được-hình thành lại nhờ sự tương tác của titan với nước hoặc oxy. Tốc độ ăn mòn ở trạng thái ổn định ở 50 độ là 0,15–0,25 mm mỗi năm, là kết quả của sự khác biệt giữa tốc độ hòa tan và tái thụ động. Tốc độ này phụ thuộc vào nhiệt độ: ở 40 độ Cấp 2 ăn mòn với tốc độ 0,05-0,10 mm/năm, ở 60 độ tốc độ ăn mòn tăng lên 0,4-0,6 mm/năm.

Ăn mòn lan rộng (phổ quát) và không bị rỗ. Thành ống cấp 2 sẽ mỏng dần và đồng đều trong những tháng vận hành. Ống dày 1,65 mm được sử dụng ở góc 50 độ sẽ mất khoảng 0,2 mm mỗi năm, dẫn đến tuổi thọ sử dụng là 5–8 năm cho đến khi đạt được độ dày thành tối thiểu cho phép (thường là 1,0 mm đối với tính toàn vẹn cơ học).

Xử lý Catot lớp 7
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+ Phản ứng này được bắt đầu ở mức điện thế trên palađi thấp hơn so với trên titan, cho thấy rằng phần lớn dòng điện catốt xảy ra ở các vị trí của palađi. Ma trận titan phân cực thành thế năng cao quý hơn, thường từ +0.3 đến +0.5 V cao hơn Lớp 2 trong cùng điều kiện.

Vì tiềm năng cao hơn này nên tốc độ hòa tan màng TiO₂ giảm theo cấp số nhân. Các thử nghiệm điện hóa cho thấy mật độ dòng thụ động lớp 7 trong FeCl3 ở 50 độ là 0,5-1,0 µA/cm2, tương đương với tốc độ ăn mòn 0,005-0,010 mm mỗi năm. Palladium không cần phủ toàn bộ bề mặt, vì 0,5-1,0% lượng đảo palađi trên bề mặt là đủ để đảm bảo bảo vệ catốt.

So sánh hiệu suất dài hạn{0}}
Xác nhận hiện trường được cung cấp bởi dữ liệu hiện trường từ các cơ sở khắc PCB sử dụng Bé FeCl 3 42 độ ở 50 độ. Lò sưởi titan loại 2 (tường 1,65 mm) thường có tuổi thọ tường mỏng từ 5 - 7 năm và cần phải thay thế. Máy sưởi cấp 7 (tường 1,65 mm) đã hoạt động được 15+ năm với tổng tổn thất độ dày thành đo được nhỏ hơn 0,2 mm. Cấp 7 có chi phí trả trước cao hơn (cao hơn khoảng 30-40% so với Cấp 2), nhưng bù lại nó có thời gian sử dụng lâu hơn và ít thời gian ngừng hoạt động hơn.

Vật liệu Tốc độ ăn mòn chung @ 50 độ Thời gian để mất 50% thành (1,65 mm đến 0,8 mm)Ứng dụng Hệ số chi phí tương đối Chi phí-Hiệu quả
Titan cấp 2 0,15-0,25 mm/năm 3-5 năm 1,0x Khắc axit khối lượng thấp, không liên tục
Titan cấp 7 0,01-0,03 mm/năm 15-25 năm 1,3-1,4x Quy trình liên tục, khối lượng lớn
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/năm 10-15 năm 2,5-3,0x Chỉ các ứng dụng chuyên dụng
Ma trận ứng dụng lựa chọn nguồn nhiệt FeCl₃
Khắc Nhiệt độ vận hành Tỷ lệ quay vòng của bồn tắm Khuyến nghị cấp titan Tuổi thọ dự kiến ​​của bộ sưởi (tường 1,65 mm)
Tạo mẫu PCB khối lượng thấp 50 độ Không liên tục, thay bồn tắm hàng tháng Lớp 2 5-7 năm
chế tạo PCB khối lượng lớn 50 độ Liên tục, tái sinh trong bể Lớp 7 12-15 năm
Khắc hóa học (kim loại dày) 55-60 độ Sử dụng nhiều, liên tục Cấp 7 8-10 năm
FeCl₃ tái sinh (Fe²⁺ thấp) Cấp liên tục 50 độ 7 15+ năm
FeCl₃ đã qua sử dụng (Fe2⁺ cao, ít oxy hóa) 50 độ Xử lý theo lô Cấp 2 4-6 năm
Sự biến đổi catốt bằng palladium ở titan cấp 7 dẫn đến tổng tốc độ ăn mòn khoảng 1/20 so với cấp 2 trong chất ăn mòn clorua sắt ở nhiệt độ 42 độ B và 50 độ C. Các vị trí paladi làm thay đổi điện thế bề mặt titan thành giá trị cao hơn, dẫn đến giảm sự phân hủy màng thụ động. Đối với các hoạt động khắc sản xuất có hiệu suất cao-liên tục trong đó độ tin cậy của bộ gia nhiệt và thời gian sử dụng lâu dài là quan trọng hàng đầu thì chi phí ban đầu cao hơn của Cấp 7 được đảm bảo. Loại 2 vẫn là sự lựa chọn hiệu quả về mặt chi phí cho việc sử dụng không liên tục hoặc khối lượng thấp khi tuổi thọ của lò sưởi từ 5-7 năm có thể chấp nhận được. Khi xác định, hãy yêu cầu tốc độ ăn mòn thực tế được ghi lại trong dung dịch FeCl3 cụ thể. Các chất gây ô nhiễm vết (đồng, niken) có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.