Când se încălzește acidul de clorură ferică (42 grade Bé) la 50 de grade, de ce titanul de gradul 7 prezintă rate generale de coroziune mai scăzute (0,01 mm/an) decât gradul 2 (0,2 mm/an)?

Gravantul cu clorură ferică (FeCl₃) la 42 de grade Bé (aproximativ 38-40% FeCl₃ în greutate) este mediul tipic pentru gravarea plăcilor de circuite placate cu cupru-și pentru măcinarea chimică a metalelor. Soluția este foarte oxidantă, intens acidă (pH 0,5-1,0) și include aproximativ 200-250 g/L ioni de clorură. Titanul este utilizat pe scară largă pentru încălzitoarele cu imersie în liniile de gravare cu FeCl 3 datorită rezistenței sale excelente la pitting clorură în condiții de oxidare. Dar există distincții importante între gradul 2 pur comercial și titanul gradul 7 stabilizat cu paladiu. În funcționarea pe termen lung la 50 de grade, rata generală de coroziune a gradului 7 este de 0,01-0,03 mm pe an, în timp ce gradul 2 corodează la 0,15-0,25 mm pe an, un factor de 10 diferență. Această lucrare descrie mecanismul electrochimic al acestui decalaj de performanță și definește când costul suplimentar al gradului 7 este justificat de rata sa redusă de coroziune.

Clorura ferică ca agent oxidant
Clorura ferică este un oxidant puternic datorită perechii redox Fe 3+ /Fe 2+ cu un potențial de reducere tipic de +0.77 V față de SHE. Potențialul efectiv este de +0.6 la +0.8 V față de SCE în soluție concentrată la 50 de grade . Acesta ar trebui să fie un mediu foarte oxidant și ar fi de așteptat să pasive complet titanul. Atât Clasa 2, cât și Clasa 7 sunt pasive. Stratul pasiv de pe titan nu este static, ci se dizolvă și se reformează continuu. Viteza de dizolvare este controlată de chimia interfeței-soluției de titan, în special de concentrația de anioni de complexare (clorură) și de prezența catalizatorilor de metale nobile.

FeCl3 Grad 2 Mecanism de coroziune
Acoperirea pasivă de TiO₂ pe titan de gradul 2 în soluție de FeCl₃ este dizolvată lent chimic TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl₄ este hidrolizat la specii solubile. Concomitent cu dezintegrarea, pelicula este re-formată prin interacțiunea titanului cu apa sau oxigenul. Rata de coroziune la starea staționară la 50 de grade este de 0,15–0,25 mm pe an, rezultatul diferenței dintre ratele de dizolvare și repasivare. Rata este dependentă de temperatură: la 40 de grade gradul 2 se corodează la 0,05-0,10 mm/an, la 60 de grade rata sare la 0,4-0,6 mm/an.

Coroziunea este larg răspândită (universală) și nu are sâmburi. Un perete de tub de gradul 2 se va subțire lent și uniform în timpul lunilor de funcționare. Un tub de 1,65 mm grosime utilizat la 50 de grade va pierde aproximativ 0,2 mm pe an, ceea ce duce la o durată de viață de 5-8 ani până când se atinge grosimea minimă admisă a peretelui (de obicei 1,0 mm pentru integritate mecanică).

Tratament catodic de gradul 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+ Această reacție este inițiată la un suprapotenţial mai mic pe paladiu decât pe titan, ceea ce sugerează că cea mai mare parte a curentului catodic are loc la locurile de paladiu. Matricea de titan se polarizează la un potențial mai nobil, adesea de +0.3 la +0.5 V mai nobil decât gradul 2 în aceleași condiții.

Pe măsură ce acest potențial este mai nobil, viteza de dizolvare a filmului de TiO₂ scade exponențial. Testele electrochimice indică faptul că densitatea de curent pasiv de gradul 7 în FeCl3 la 50 de grade este de 0,5-1,0 µA/cm2, ceea ce este echivalent cu o viteză de coroziune de 0,005-0,010 mm pe an. Paladiul nu trebuie să acopere întreaga suprafață, deoarece 0,5-1,0% insule de paladiu la suprafață sunt suficiente pentru a asigura protecție catodică.

Comparația performanței pe termen lung{0}
Validarea câmpului este furnizată de datele de câmp de la instalațiile de gravare PCB folosind 42 de grade Bé FeCl3 la 50 de grade. Încălzitoarele din titan de gradul 2 (perete de 1,65 mm) au în mod normal o durată de subțiere a pereților de 5-7 ani și trebuie înlocuite. Încălzitoarele de gradul 7 (perete de 1,65 mm) au fost în funcțiune de 15+ ani, cu pierderi măsurate din grosimea peretelui mai mici de 0,2 mm în total. Gradul 7 costă mai mult în avans (aproximativ 30-40% mai mult decât gradul 2), dar se plătește singur cu o durată de viață mai lungă și mai puțin timp de nefuncționare.

Material Viteza generală de coroziune la 50 de grade Timp până la 50% pierdere de perete (1,65 mm până la 0,8 mm) Aplicație Cost relativ Factor Cost-Eficient
Titan de gradul 2 0,15-0,25 mm/an 3-5 ani 1,0x Gravare intermitentă, de volum redus
Titan de gradul 7 0,01-0,03 mm/an 15-25 ani 1,3-1,4x Proces continuu, de volum mare
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/an 10-15 ani 2,5-3,0x Numai aplicații specializate
FeCl₃ Matricea aplicației de selecție a sursei de căldură
Funcționare de gravare Temperatura de rotație a băii Calitatea titanului Durată de viață estimată a încălzitorului recomandată (perete de 1,65 mm)
Prototipări PCB cu volum redus-50 de grade Intermitent, schimbarea băii lunar Grad 2 5-7 ani
Fabricare PCB cu volum mare 50 de grade Continuu, regenerat în baie Grad 7 12-15 ani
Gravurare chimică (metal gros) 55-60 de grade Utilizare ridicată, continuă Grad 7 8-10 ani
FeCl₃ regenerat (Fe²⁺ scăzut) 50 de grade Gradul continuu 7 15+ ani
FeCl₃ folosit (fe²⁺ ridicat, mai puțin oxidant) 50 de grade Eliminare lot Grad 2 4-6 ani
Modificarea catodică de către paladiu în titanul de gradul 7 duce la rate totale de coroziune de aproximativ o douăzecime din cea de gradul 2 în acidul de clorură ferică la 42 de grade B și 50 de grade C. Locurile de paladiu modifică potențialul de suprafață a titanului la o valoare mai nobilă, ducând la o scădere a defalcării pasive a peliculei. Pentru operațiunile continue de gravare cu producție înaltă-în care fiabilitatea încălzitorului și durata de viață lungă sunt de importanță primordială, este garantat costul de pornire mai mare al gradului 7. Gradul 2 rămâne alegerea eficientă din punct de vedere al costurilor pentru utilizare intermitentă sau cu volum redus, unde o durată de viață a încălzitorului de 5-7 ani este acceptabilă. Când specificați, solicitați viteza reală de coroziune înregistrată în soluția specifică de FeCl3. Urmele contaminanților (cupru, nichel) pot afecta performanțele.