Ved oppvarming av jernkloridetsemiddel (42 grader Bé) ved 50 grader, hvorfor viser titan grad 7 lavere generelle korrosjonshastigheter (0,01 mm/år) enn grad 2 (0,2 mm/år)?

Jernklorid (FeCl₃) etsemiddel ved 42 grader Bé (rundt 38-40 % FeCl3 i vekt) er det typiske mediet for etsing av kobber{10}}belagte kretskort og for kjemisk fresing av metaller. Løsningen er svært oksiderende, intenst sur (pH 0,5-1,0) og inkluderer ca. 200-250 g/L kloridioner. Titan brukes i stor utstrekning til nedsenkingsvarmere i FeCl 3-etselinjer på grunn av sin utmerkede motstand mot kloridgroper under oksiderende forhold. Men det er viktige forskjeller mellom kommersielt rent grad 2 og palladiumstabilisert grad 7 titan. Ved langtidsbruk ved 50 grader er den generelle korrosjonshastigheten for Grad 7 0,01-0,03 mm per år, mens Grade 2 korroderer med 0,15-0,25 mm per år, en faktor på 10 forskjell. Denne artikkelen beskriver den elektrokjemiske mekanismen til dette ytelsesgapet og definerer når ekstrakostnaden for klasse 7 er rettferdiggjort av dens reduserte korrosjonshastighet.

Jernklorid som oksidasjonsmiddel
Jernklorid er en sterk oksidant på grunn av Fe 3+ /Fe 2+ redoksparet med et typisk reduksjonspotensial på +0.77 V vs. SHE. Det effektive potensialet er +0.6 til +0.8 V vs SCE i konsentrert løsning ved 50 grader. Dette bør være et svært oksiderende miljø og forventes å fullstendig passivisere titan. Både klasse 2 og klasse 7 er passive. Det passive laget på titan er ikke statisk, men oppløses og reformeres kontinuerlig. Oppløsningshastigheten kontrolleres av kjemien til grensesnittet i titan-oppløsningen, spesielt konsentrasjonen av kompleksdannende anioner (klorid) og tilstedeværelsen av edelmetallkatalysatorer.

FeCl3 Grad 2 korrosjonsmekanisme
Det passive TiO₂-belegget på grad 2 titan i FeCl₃-løsning er sakte kjemisk oppløst TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl4 hydrolyseres til løselige stoffer. Samtidig med desintegrering blir filmen re-dannet ved interaksjon av titan med vann eller oksygen. Den stabile korrosjonshastigheten ved 50 grader er 0,15–0,25 mm per år, resultatet av forskjellen mellom oppløsnings- og repassiveringshastigheter. Hastigheten er temperaturavhengig: ved 40 grader korroderer Grad 2 med 0,05-0,10 mm/år, ved 60 grader hopper hastigheten til 0,4-0,6 mm/år.

Korrosjon er utbredt (universell) og ikke groper. En grad 2 rørvegg vil tynnes sakte og jevnt ut i løpet av driftsmånedene. Et 1,65 mm tykt rør i bruk ved 50 grader vil miste omtrent 0,2 mm per år, noe som fører til en levetid på 5–8 år inntil minimum tillatt veggtykkelse er nådd (vanligvis 1,0 mm for mekanisk integritet).

Grad 7 katodisk behandling
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+ Denne reaksjonen initieres ved et lavere overpotensial på palladium enn på titan, noe som antyder at størstedelen av den katodiske strømmen skjer på palladiumstedene. Titanmatrisen polariserer til et mer edelt potensial, ofte +0.3 til +0.5 V mer edel enn grad 2 under de samme forholdene.

Ettersom dette mer edle potensialet synker TiO2-filmoppløsningshastigheten eksponentielt. Elektrokjemiske tester indikerer at den passive strømtettheten av grad 7 i FeCl3 ved 50 grader er 0,5-1,0 µA/cm2, som tilsvarer en korrosjonshastighet på 0,005-0,010 mm per år. Palladiumet trenger ikke dekke hele overflaten, fordi 0,5-1,0 % palladiumøyer på overflaten er nok til å sikre katodisk beskyttelse.

Sammenligning av-langsiktig ytelse
Feltvalidering leveres av feltdata fra PCB-etseanlegg ved bruk av 42 grader Bé FeCl 3 ved 50 grader. Grade 2 titanvarmere (1,65 mm vegg) har normalt en veggfortynningslevetid på 5-7 år og må skiftes. Grad 7 varmeovner (1,65 mm vegg) har vært i drift i 15+ år med målte veggtykkelsestap på mindre enn 0,2 mm totalt. Grad 7 koster mer på forhånd (ca. 30-40 % mer enn grad 2), men den betaler seg selv med lengre levetid og mindre nedetid.

Materiale Generell korrosjonshastighet @ 50 grader Tid til 50 % veggtap (1,65 mm til 0,8 mm) Påføring Relativ kostnadsfaktor Kostnad-Effektiv
Grad 2 titan 0,15-0,25 mm/år 3-5 år 1,0x Lavvolum, intermitterende etsing
Grad 7 titan 0,01-0,03 mm/år 15-25 år 1,3-1,4x Høyvolum, kontinuerlig prosess
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/år 10-15 år 2,5-3,0x Kun spesialiserte applikasjoner
FeCl₃ Varmekildevalg Applikasjonsmatrise
Etsedrift Temperatur BadekaromsetningshastighetTitankvalitet Anbefalt Varmelevetid forventet (1,65 mm vegg)
Lavt-volum PCB-prototyping 50 grader Intermitterende, badebytte månedlig Grad 2 5-7 år
høyvolum PCB-fabrikasjon 50 grader Kontinuerlig, badregenerert Klasse 7 12-15 år
Kjemisk etsing (tykt metall) 55-60 grader Høy bruk, kontinuerlig Grad 7 8-10 år
Regenerert FeCl₃ (lav Fe²⁺) 50 grader kontinuerlig klasse 7 15+ år
Brukt FeCl₃ (høy Fe²⁺, mindre oksiderende) 50 grader Batch avhending Grad 2 4-6 år
Den katodiske modifikasjonen av palladium i titangrad 7 fører til totale korrosjonshastigheter på omtrent en tjuendedel av grad 2 i jernkloridetsemiddel ved 42 grader B og 50 grader C. Palladiumstedene modifiserer titanoverflatepotensialet til en mer edel verdi, noe som fører til en reduksjon i nedbrytning av passiv film. For kontinuerlig høy-etseoperasjoner der varmeapparatets pålitelighet og lang levetid er av primær betydning, er den høyere startkostnaden for klasse 7 garantert. Grad 2 er fortsatt det kostnadseffektive valget for periodisk bruk eller lavvolumsbruk der en levetid på 5-7 år er akseptabel. Når du spesifiserer, spør etter den faktiske korrosjonshastigheten registrert i den spesifikke FeCl3-løsningen. Sporforurensninger (kobber, nikkel) kan påvirke ytelsen.