電気めっきタンク内の超音波撹拌はどのようにしてチタン グレード 12 浸漬ヒーターの腐食速度を加速または低下させますか?

超音波撹拌は、物質輸送を改善し、つきまわり性を高め、均一な析出を促進するために、電気めっきおよび金属仕上げタンクで一般的に使用されます。周波数は通常 20 ～ 80 kHz の範囲にあります。電力密度は 1 ～ 5 W/L です。これらのタンクでは、過酷なめっきの化学反応に対する耐性があるため、チタン グレード 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) で作られた浸漬ヒーターがよく使用されます。しかし、超音波エネルギーを適用すると、チタンの腐食挙動が根本的に変化します。結果は 2 つあります。超音波は、不動態コーティングを除去し、キャビテーション損傷を誘発することにより、環境によっては腐食を促進する可能性があります。他のものでは、表面を脱ガスしたり、攻撃的な境界層を破壊したりすることで腐食を防ぐことができます。この記事では、酸性硫酸銅、スルファミン酸ニッケル、アルカリ性シアン化物浴などの一般的な電気めっき溶液中のグレード 12 チタンに対する超音波撹拌の正味の影響を評価し、超音波がヒーターの寿命に対して正味のリスクまたは利益をもたらすかどうかを判断します。

超音波による腐食作用のメカニズム
液体媒体中でのチタンの腐食に対する超音波の主な影響は 3 つあります。キャビテーションとは、チタン表面付近での小さな気泡の生成と突然の崩壊です。気泡の崩壊により、数千気圧の局所的な圧力とマイクロジェットが発生し、不動態皮膜を機械的に破壊する可能性があります。-チタン表面での高速流体運動 (1 ～ 10 m/s) は、界面への、または界面からの種の物質移動を促進する音響流によって引き起こされます。脱ガスにより境界層から溶存ガス (酸素を含む) が除去され、電気化学的環境が変化する可能性があります。

キャビテーションはグレード 12 チタンの主な影響であり、耐食性は安定した TiO2 不動態皮膜に依存しています。気泡の崩壊を繰り返すと、不動態皮膜が物理的に除去され、裸のチタンがめっき液にさらされる可能性があります。グレード 12 の再不動態化速度は比較的高速 (ミリ秒) ですが、キャビテーション強度が再不動態化速度を超えると、正味の金属損失が発生します。音響ストリーミングは、（表面に新鮮な攻撃的な化学種を提供することによって）腐食を促進するか、（孔食を促進する停滞した局所的に酸性化された層を除去することによって）腐食を軽減することができます。

超音波による腐食速度の測定
定量的な結果は、グレード 12 チタン クーポン (厚さ 1.65 mm、研磨表面) を使用し、55℃の 3 つの標準電気めっき浴中で、超音波撹拌 (40 kHz、2 W/L) の有無にかかわらず制御されたテストによって得られました。暴露時間は 500 時間で、重量損失は 100 時間ごとに測定されました。

超音波なしのグレード 12 年間 0.01-0.03 mm - 無視できるほど 酸性硫酸銅浴 (50 g/L CuSO 4 5H 2 O、50 g/LH 2 SO 4 、pH0.5) 中 超音波を使用した場合の速度は 0.08 ～ 0.15 mm/年に増加します。より大きな速度は、過酷な低 pH 環境における不動態皮膜のキャビテーション除去に起因すると考えられます。 500 時間超音波にさらされた表面は、対照の輝く不動態表面と比較してマットでエッチングされています。孔食は検出されず、攻撃は均一です。

スルファミン酸ニッケル浴 (Ni(SO 3 NH 2 ) 2 、400 g/L、H 3 BO 3 、30 g/L、pH 4.0) 中で超音波を使用しない場合のグレード 12 の腐食は、0.02-0.04 mm/年です。超音波を使用すると、それはわずかに増加して0.05〜0.09 mm /年になります。より低い pH では、中性溶液中では不動態皮膜がより迅速に再確立されるため、キャビテーションによる損傷は少なくなります。

超音波なしのグレード 12 の腐食速度は年間 0.01 mm 未満です - 良好 アルカリ性シアン化銅浴 (40 g/L CuCN、30 g/L NaCN、15 g/L NaOH、pH 12) では、超音波を使用すると腐食速度は年間 0.02 ～ 0.05 mm に上昇しますが、それでも許容可能です。興味深いことに、超音波は、シアン化物浴中のチタン上で時々発生する黒色銅堆積物の生成も抑制します。キャビテーションにより、緩く付着したコーティングが除去されます。

3 つの槽すべての超音波による腐食速度は年間 0.15 mm 未満でした。これは、1.65 mm の壁の寿命が 10 年を超えることになります。加速は測定可能ですが、ほとんどの電気めっき用途で早期故障を引き起こすほど重大ではありません。

他のチタングレードへの影響 - 比較
浴の種類 チタンのグレード腐食速度 (mm/年) 超音波なし超音波腐食速度 (40 kHz; 2 W/L)加速度
グレード 2 酸性銅 0.05-0.10 0.25-0.45 4-5x グレード 2 スルファミン酸ニッケル 0.03-0.06 0.12-0.20 3-4x グレード 7 酸性銅 0.01-0.02 0.06-0.10 4-6x グレード 12 酸性銅 0.01-0.03 0.08-0.15 3-5x
グレード 12 スルファミン酸ニッケル 0.02-0.04 0.05-0.09 2-3x グレード 12 アルカリシアン化物<0.01 0.02-0.05 3-5x
グレード 12 は、モリブデン-ニッケル合金がよりキャビテーションに強い不動態皮膜を形成するため、すべての浴においてグレード 2 よりも加速係数が低くなります。グレード 7 はグレード 12 と同様の加速を示しましたが、絶対速度は低くなりました。

超音波で腐食を切断する場合
超音波は、環境によってはチタンの腐食を遅らせることができます。停滞した溶液や低流量の溶液では、局所的な酸性化や塩化物濃度によって孔食が促進され、音響流により境界層が破壊され、攻撃的な種の蓄積が回避されます。強い孔食環境である 50 度の 10% FeCl₃ でのテストでは、超音波を使用しないグレード 12 では 100 ～ 200 時間以内に孔食が発生することが示されました。超音波 (40 kHz、2 W/L) を使用すると、孔食は 500+ 時間まで延期され、腐食速度は一定になります。そのメカニズムは、ピットの開始部位に集中した塩化物イオンの除去です。

超音波は、不動態化を促進するチタン表面の脱ガスと酸素化により、高塩化物、低酸素条件（深い亀裂など）での腐食を最小限に抑えることもできます。{0}{1}この影響は、静的部品ほど浸漬ヒーターでは重要ではありません。

表 1. 超音波電気めっき浴のアプリケーション マトリックス
めっき浴の pH 温度 推奨チタングレード 腐食速度に対する超音波の影響 ヒーターの寿命に優れています (壁厚 1.65 mm で 5+ 年)
酸性硫酸銅 0.5-1.0 50-60 C グレード 12 またはグレード 7 3-5x 加速、ただし最終速度<0.15 mm/yearYes, 12th grade
スルファミン酸ニッケル 3.5-4.5 50-60 度グレード 12 2-3x 加速、<0.10 mm/year Yes
アルカリ性シアン化銅 11-13 50-70 度グレード 12 またはグレード 2 3-5x 速度、<0.05 mm/year Yes
酸性塩化亜鉛 40～50度 4.0～5.5グレード 12 2-4倍、スピード<0.12 mm/year Yes
クロム酸アルマイト処理<1.0 40-50°C Grade 7 only High acceleration probable; test recommended Grade 7 with monitoring
塩化第二鉄エッチング 0.5-1.0 45-55 度 グレード 12 4-6x 加速、0.3 mm/年以上限界;超音波出力を減らすことを検討してください
ヒーター仕様の実践ガイド
電着タンク内での超音波撹拌 (40 kHz、通常 2 W/L) により、ほとんどの浴化学薬品でグレード 12 チタン浸漬ヒーター要素の使用が可能になります。腐食速度は 2 ～ 5 倍加速されますが、一般的な浴では年間 0.15 mm 未満に留まります。壁厚 1.65 mm のチューブは、年間 0.15 mm の使用で 10+ 年間持続します (1.65 mm / 0.15 mm 年間=11 年)。以下の実践により寿命が最大化されます。

グレード 12 は加速係数が低いため、超音波を含むタンクではグレード 2 よりもグレード 12 が優先されます。

表面を酸洗いまたは電解研磨してキャビテーション核生成サイト (Ra) を減らす<0.4 µm). Rough surfaces accelerate the attack.

ヒーターは超音波トランスデューサーの直接の見通し線から遠ざけ、タンクの強度の低い領域に設置してください。

可能な場合は超音波出力密度を下げます。- 多くの電気めっき操作は、効果を大幅に損なうことなく、2～3 W/L ではなく 1 W/L で実行できます。

攻撃的な浴（超音波を使用した酸性銅）の場合は、壁の厚さを 2.0 mm に増やしてマージンを追加します。

電気めっきタンク内の超音波撹拌により、グレード 12 チタン ヒーターの腐食速度は静止状態の 2 ～ 5 倍に増加しますが、ほとんどの通常の浴では絶対速度は依然として年間 0.15 mm 未満です。これは、通常の壁厚が 1.65 mm の場合、チューブの寿命は 10+ 年になります。グレード 12 は、加速係数が低減され、不動態皮膜が強化されるため、グレード 2 よりも好まれます。最終仕様を決定する前に、塩化第二鉄や高温クロム酸などの攻撃的な浴については、特定の浴の化学的性質と超音波条件を使用してテストすることをお勧めします。あらゆる状況において、ヒーターを低強度領域に配置し、研磨された表面を採用することにより、寿命はさらに延長されます。ご注文の際は、ヒーターが超音波撹拌槽で使用されることを示し、グレード 12 の酸洗いまたは電解研磨仕上げを指定してください。これらの対策により、超音波撹拌は電気めっき用途におけるチタン ヒーターの耐用年数を大幅に損なうことはありません。