高塩化物/亜鉛混合物を含む金属仕上げタンク内のチタン シース ヒーターの場合、チューブ表面の陰極電流密度が重要な設計制約となるのはなぜですか?

亜鉛電気めっき、亜鉛めっき、または合金析出タンクは金属仕上げに使用され、電解質の複雑な混合物が含まれています。一般的な配合物は、50 ～ 100 g/L の塩化亜鉛 (ZnCl2)、導電性塩としての塩化アンモニウム (NH4Cl)、塩化カリウム (KCl)、およびいくつかの有機光沢剤で構成されます。浴槽の温度は30～50度、pHは4.5～6.0です。耐食性はチタンシーズヒーターによって指定されることが多いです。しかし、これらの浴は、チタンチューブが亜鉛析出の陰極として機能するという不注意な電気化学的状況を引き起こします。溶液中の亜鉛イオンは、ヒーター自体の電気システムの作用またはメッキ整流器からの迷走電流によってチタンの表面にメッキされます。亜鉛の堆積物が薄く均一なままであれば、チューブは保護されますが、それが拡大して粗い結節状の構造になると、チューブが過熱して早期に破損します。決定要因は、亜鉛の還元を引き起こす電子移動の速度、つまり管表面の陰極電流密度です。

チタンヒーターへの陰極亜鉛析出のメカニズム

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2)、急速な亜鉛の発達により、タンクの他の部分と接触する樹枝状構造が形成され、短絡や局所的な過熱が発生します。

ヒーターの故障モードと電流密度: 定量的な相関関係

模擬塩化亜鉛浴 (80 g/L ZnCl2、100 g/L KCl、50 度) での制御されたテストに基づいて、グレード 2 チタン ヒーターでは次の故障パターンが特定されました。

陰極電流密度が 1 mA/cm2 未満: 亜鉛の析出速度が 0.1 ～ 0.3 mm/月。堆積物は付着しており、滑らかで粒子が細かい。ヒーター温度は一定です。酸剥離を使用すると、母材金属に損傷を与えることなく堆積物を除去できます。

陰極電流密度 1 ～ 3 mA/cm2 亜鉛析出速度 0.5 ～ 1.0 mm/月。堆積物は小塊状で、気孔率は 20 ～ 30% です。堆積物のピークでの局所的な過熱により、チタンの表面温度が設定値より 10 ～ 15 度上昇します。ヒーターが頻繁に作動しすぎます。

陰極電流密度 3 ～ 8 mA/cm2 亜鉛の析出速度 1 か月あたり 1.5 ～ 3.0 mm 2 ～ 4 週間以内に、樹枝状の長さは 5 ～ 10 mm になります。樹状突起がタンクの壁や他のヒーターにまたがり、ショートします。ヒーターの故障は、接触箇所の局所的な溶融によって発生します。

陰極電流密度 > 10 mA/cm2: 亜鉛析出速度 > 5 mm/月。制御されていない急速な樹状突起の成長。ヒーターは通常1～2週間で切れます。亜鉛が剥離すると、チタン系金属が活発な腐食を受ける可能性があります。

2.0 金属仕上げタンク内の電流密度を制御するための戦略

次の表は、タンク構成と電気環境に基づいてチタン シース ヒーターの陰極電流密度を管理するための決定木を示しています。

タンクのセットアップと電気的状態最大許容陰極電流密度の設計変更と制御戦略
タンクは適切に接地されており、ヒーターはタンクから電気的に絶縁されており、迷走電流は 2 mA/cm2 なし、通常の動作には許容可能です。堆積物の厚さを毎月監視します。ヒーターは 3 ～ 6 か月ごとに掃除してください。
タンクと電気的に接触しているヒーター フランジ (陰極、電気経路が存在) 0.5 mA/cm² ヒーター フランジとタンクの間に絶縁ガスケット (PTFE、3 mm) を挿入します。 「電流密度を 25% に下げます。」
Stray currents from rectifier (measured >ヒーターと基準電極間0.5V) 0.2mA/cm2 ヒーターによりアース棒を取り付けます。電気抵抗の経路を改善するための穴あき PTFE チューブを備えたシールド ヒーター
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 度) 1 mA/cm2 亜鉛含有量を下げるか、浴温度を下げます。 Zn 2+ が多いほど、同様の電流密度での堆積速度が増加します。
電流分布 3 mA/cm^2 のための補助陰極 (シーフ陰極) を備えたタンク内で動作するヒーター。シーフ陰極は電流をヒーターからそらします。泥棒は毎週掃除してもらっても大丈夫です。
カソード電流密度の制御を超えたエンジニアリング

チタンチューブの表面仕上げは亜鉛の付着に大きな影響を与えます。滑らかな電解研磨表面（Ra）<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

情報に基づいた仕様の作成

たとえば、塩化物と亜鉛の組み合わせが高い金属仕上げタンクにチタン シース ヒーターが必要な場合は、PTFE ガスケットとブッシングによってヒーターがタンクから電気的に絶縁されていることを指定します。ヒーター表面積とタンク内に記録された迷走電流に基づいて、最大許容陰極電流密度を 1mA/cm2 に設定します。亜鉛の堆積物を簡単に除去できるように、電解研磨された表面仕上げを施したヒーターを提供するようにプロバイダーに依頼してください。既存の設備の場合は、めっきプロセス中にヒーター シースと銅-硫酸銅基準電極の間の電圧を測定します。測定値が 0.3 V より大きい場合は、カソード分極が多すぎることを示しており、修正が必要です。タイマー-制御の逆電流システムが提供され、毎時間短い陽極パルス（電流密度 2 ～ 3 mA/cm 2 で 1 ～ 2 秒）を供給して、初期の亜鉛堆積物を塊状に成長する前に溶解します。エンジニアは、電気めっき用途で使用されるチタン ヒーターの樹枝状亜鉛の成長、過熱、短絡による連鎖的故障を回避するための重要な設計制限として陰極電流密度を制限しています。-