Apabila Memanaskan Ferric Chloride Etchant (42 darjah Bé) pada 50 darjah , Mengapakah Titanium Gred 7 Mempamerkan Kadar Kakisan Am yang Lebih Rendah (0.01 mm/tahun) Daripada Gred 2 (0.2 mm/tahun)?

Etsa ferik klorida (FeCl₃) pada 42 darjah Bé (kira-kira 38-40% FeCl₃ mengikut berat) ialah medium biasa untuk mengetsa kuprum-papan litar bersalut dan untuk pengilangan kimia logam. Penyelesaiannya sangat mengoksida, sangat berasid (pH 0.5-1.0) dan termasuk kira-kira 200-250 g/L ion klorida. Titanium digunakan secara meluas untuk pemanas rendaman dalam garisan etsa FeCl 3 kerana rintangannya yang sangat baik terhadap pitting klorida di bawah keadaan pengoksidaan. Tetapi terdapat perbezaan penting antara Gred 2 tulen secara komersial dan titanium Gred 7 yang distabilkan paladium. Dalam perkhidmatan jangka panjang pada 50 darjah, kadar kakisan am Gred 7 ialah 0.01-0.03 mm setahun manakala Gred 2 menghakis pada 0.15-0.25 mm setahun, faktor 10 perbezaan. Makalah ini menerangkan mekanisme elektrokimia bagi jurang prestasi ini dan mentakrifkan apabila kos tambahan Gred 7 dibenarkan oleh kadar kakisannya yang berkurangan.

Ferrik klorida sebagai agen pengoksida
Ferrik klorida ialah oksidan kuat disebabkan oleh pasangan redoks Fe 3+ /Fe 2+ dengan potensi pengurangan biasa +0.77 V lwn. SHE. Potensi berkesan ialah +0.6 hingga +0.8 V vs SCE dalam larutan pekat pada 50 darjah . Ini sepatutnya menjadi persekitaran yang sangat mengoksida dan dijangka akan memasifkan titanium sepenuhnya. Kedua-dua Darjah 2 dan Darjah 7 adalah pasif. Lapisan pasif pada titanium tidak statik, tetapi berterusan melarut dan membentuk semula. Kadar pelarutan dikawal oleh kimia antara muka larutan-titanium, khususnya kepekatan anion pemkompleks (klorida) dan kehadiran pemangkin logam mulia.

Mekanisme Kakisan FeCl3 Gred 2
Salutan TiO₂ pasif pada titanium Gred 2 dalam larutan FeCl₃ secara perlahan-lahan terlarut secara kimia TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl₄ dihidrolisiskan kepada spesies larut. Serentak dengan perpecahan, filem ini-dibentuk semula melalui interaksi titanium dengan air atau oksigen. Kadar kakisan keadaan mantap pada 50 darjah ialah 0.15–0.25 mm setahun, hasil daripada perbezaan antara kadar pembubaran dan pemaspasian semula. Kadarnya bergantung pada suhu: pada 40 darjah Gred 2 menghakis pada 0.05-0.10 mm/tahun, pada 60 darjah kadar melonjak kepada 0.4-0.6 mm/tahun.

Hakisan meluas (sejagat) dan tidak berlubang. Dinding tiub Gred 2 akan menipis secara perlahan dan seragam semasa bulan-bulan beroperasi. Tiub setebal 1.65 mm yang digunakan pada 50 darjah akan kehilangan kira-kira 0.2 mm setahun, membawa kepada hayat perkhidmatan selama 5-8 tahun sehingga ketebalan dinding minimum yang dibenarkan dicapai (biasanya 1.0 mm untuk integriti mekanikal).

Rawatan Katodik Darjah 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+ Tindak balas ini dimulakan pada lebihan potensi yang lebih rendah pada paladium berbanding titanium, menunjukkan bahawa majoriti arus katodik berlaku di tapak paladium. Matriks titanium berpolarisasi kepada potensi yang lebih mulia, selalunya +0.3 kepada +0.5 V lebih mulia daripada Gred 2 di bawah keadaan yang sama.

Oleh kerana potensi yang lebih mulia ini, kadar pelarutan filem TiO₂ menurun secara eksponen. Ujian elektrokimia menunjukkan bahawa ketumpatan arus pasif Gred 7 dalam FeCl3 pada 50 darjah ialah 0.5-1.0 µA/cm2, yang bersamaan dengan kadar kakisan 0.005-0.010 mm setahun. Paladium tidak perlu menutupi seluruh permukaan, kerana 0.5-1.0% pulau paladium di permukaan cukup untuk memastikan perlindungan katodik.

Perbandingan Prestasi Jangka Panjang-
Pengesahan medan disediakan oleh data medan daripada kemudahan etsa PCB menggunakan 42 darjah Bé FeCl 3 pada 50 darjah . Pemanas titanium gred 2 (dinding 1.65 mm) biasanya mempunyai hayat penipisan dinding selama 5-7 tahun dan perlu diganti. Pemanas gred 7 (dinding 1.65 mm) telah beroperasi selama 15+ tahun dengan kehilangan ketebalan dinding yang diukur kurang daripada jumlah keseluruhan 0.2 mm. Gred 7 kos lebih awal (kira-kira 30-40% lebih tinggi daripada Gred 2), tetapi ia membayar untuk dirinya sendiri dengan hayat perkhidmatan yang lebih lama dan kurang masa henti.

Bahan Kadar kakisan am @ 50 darjah Masa hingga 50% kehilangan dinding (1.65 mm hingga 0.8 mm)Kos Faktor Kos Relatif Aplikasi-Berkesan
Gred 2 titanium 0.15-0.25 mm/thn 3-5 tahun 1.0x Kelantangan rendah, goresan sekejap-sekejap
Gred 7 titanium 0.01-0.03 mm/tahun 15-25 tahun 1.3-1.4x Volume tinggi, proses berterusan
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/tahun 10-15 tahun 2.5-3.0x Hanya aplikasi khusus
Matriks Aplikasi Pemilihan Sumber Haba FeCl₃
Operasi Mengukir Kadar Pusing Ganti Mandian Suhu Gred Titanium Disyorkan Jangka Hayat Pemanas (dinding 1.65 mm)
-Volume rendah PCB prototaip 50 darjah Selang-seli, perubahan mandian bulanan Gred 2 5-7 tahun
fabrikasi PCB volum tinggi 50 darjah Berterusan, mandian dijana semula Gred 7 12-15 tahun
Goresan kimia (logam tebal) 55-60 darjah Penggunaan tinggi, berterusan Gred 7 8-10 tahun
FeCl₃ (Fe²⁺ rendah) 50 darjah Gred Berterusan 7 15+ tahun yang dijana semula
FeCl₃ terpakai (Fe²⁺ tinggi, kurang pengoksidaan) 50 darjah Pelupusan kelompok Gred 2 4-6 tahun
Pengubahsuaian katodik oleh paladium dalam titanium gred 7 membawa kepada jumlah kadar kakisan kira-kira satu per dua puluh daripada gred 2 dalam etsa feri klorida pada 42 darjah B dan 50 darjah C. Tapak paladium mengubah suai potensi permukaan titanium kepada nilai yang lebih mulia, yang membawa kepada penurunan pecahan filem pasif. Untuk operasi goresan pengeluaran tinggi-yang berterusan di mana kebolehpercayaan pemanas dan hayat perkhidmatan yang panjang adalah penting, kos permulaan Gred 7 yang lebih tinggi adalah wajar. Gred 2 kekal sebagai pilihan kos efektif untuk penggunaan volum sekejap atau rendah di mana hayat pemanas 5-7 tahun boleh diterima. Apabila menentukan minta kadar kakisan sebenar yang direkodkan dalam larutan FeCl3 tertentu. Bahan cemar surih (kuprum, nikel) boleh memberi kesan kepada prestasi.