Warum weist Titan Grad 7 beim Erhitzen von Eisenchlorid-Ätzmittel (42 Grad Bé) auf 50 Grad niedrigere allgemeine Korrosionsraten auf (0,01 mm/Jahr) als Grad 2 (0,2 mm/Jahr)?

Eisenchlorid (FeCl₃)-Ätzmittel bei 42 Grad Bé (ca. 38-40 % FeCl₃ nach Gewicht) ist das typische Medium zum Ätzen von kupferplattierten Leiterplatten und zum chemischen Fräsen von Metallen. Die Lösung ist stark oxidierend, stark sauer (pH 0,5–1,0) und enthält etwa 200–250 g/L Chloridionen. Aufgrund seiner hervorragenden Beständigkeit gegen Chlorid-Lochfraß unter oxidierenden Bedingungen wird Titan häufig für Tauchsieder in FeCl 3 -Ätzanlagen verwendet. Es gibt jedoch wichtige Unterschiede zwischen kommerziell reinem Titan der Güteklasse 2 und palladiumstabilisiertem Titan der Güteklasse 7. Im Langzeitbetrieb bei 50 Grad beträgt die allgemeine Korrosionsrate von Grad 7 0,01–0,03 mm pro Jahr, während Grad 2 bei 0,15–0,25 mm pro Jahr korrodiert, was einem Unterschied von Faktor 10 entspricht. Dieses Papier beschreibt den elektrochemischen Mechanismus dieser Leistungslücke und definiert, wann die zusätzlichen Kosten von Grad 7 durch die verringerte Korrosionsrate gerechtfertigt sind.

Eisenchlorid als Oxidationsmittel
Eisenchlorid ist aufgrund des Redoxpaares Fe 3+ /Fe 2+ ein starkes Oxidationsmittel mit einem typischen Reduktionspotential von +0.77 V vs. SHE. Das effektive Potenzial beträgt +0.6 bis +0.8 V vs. SCE in konzentrierter Lösung bei 50 Grad. Dies sollte eine stark oxidierende Umgebung sein und es wäre zu erwarten, dass Titan vollständig passiviert wird. Sowohl die 2. als auch die 7. Klasse sind passiv. Die Passivschicht auf Titan ist nicht statisch, sondern löst sich kontinuierlich auf und bildet sich neu. Die Auflösungsgeschwindigkeit wird durch die Chemie der Titan--Lösungsgrenzfläche gesteuert, insbesondere durch die Konzentration komplexierender Anionen (Chlorid) und das Vorhandensein von Edelmetallkatalysatoren.

FeCl3-Korrosionsmechanismus der Klasse 2
Die passive TiO₂-Beschichtung auf Titan Grad 2 in FeCl₃-Lösung ist langsam chemisch gelöstes TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. Das TiCl₄ wird zu löslichen Spezies hydrolysiert. Gleichzeitig mit dem Zerfall wird der Film durch die Wechselwirkung von Titan mit Wasser oder Sauerstoff neu gebildet. Die stationäre Korrosionsrate bei 50 Grad beträgt 0,15–0,25 mm pro Jahr und ist das Ergebnis der Differenz zwischen Auflösungs- und Repassivierungsraten. Die Rate ist temperaturabhängig: Bei 40 Grad korrodiert Grad 2 mit 0,05–0,10 mm/Jahr, bei 60 Grad steigt die Rate auf 0,4–0,6 mm/Jahr.

Korrosion ist weit verbreitet (allgemein) und nicht Lochfraß. Eine Rohrwand der Güteklasse 2 wird im Laufe der Betriebsmonate langsam und gleichmäßig dünner. Ein 1,65 mm dickes Rohr verliert bei Verwendung bei 50 Grad etwa 0,2 mm pro Jahr, was zu einer Lebensdauer von 5–8 Jahren führt, bis die minimal zulässige Wandstärke erreicht ist (normalerweise 1,0 mm für die mechanische Integrität).

Kathodische Behandlung Grad 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+ Diese Reaktion wird bei Palladium bei einem geringeren Überpotential als bei Titan initiiert, was darauf hindeutet, dass der Großteil des Kathodenstroms an den Palladiumstellen auftritt. Die Titanmatrix polarisiert zu einem edleren Potential, oft +0.3 bis +0.5 V edler als Grad 2 unter den gleichen Bedingungen.

Mit diesem edleren Potential sinkt die Auflösungsgeschwindigkeit des TiO₂-Films exponentiell. Elektrochemische Tests zeigen, dass die passive Stromdichte von FeCl3 der Güteklasse 7 bei 50 Grad 0,5–1,0 µA/cm2 beträgt, was einer Korrosionsrate von 0,005–0,010 mm pro Jahr entspricht. Das Palladium muss nicht die gesamte Oberfläche bedecken, da 0,5–1,0 % Palladiuminseln auf der Oberfläche ausreichen, um den kathodischen Schutz zu gewährleisten.

Vergleich der langfristigen-Leistung
Die Feldvalidierung erfolgt durch Felddaten von PCB-Ätzanlagen mit 42 Grad Bé FeCl 3 bei 50 Grad. Titanheizungen der Güteklasse 2 (1,65 mm Wandstärke) haben normalerweise eine Wandverdünnungslebensdauer von 5–7 Jahren und müssen ersetzt werden. Heizgeräte der Güteklasse 7 (1,65 mm Wandstärke) sind seit 15+ Jahren in Betrieb und weisen gemessene Wanddickenverluste von insgesamt weniger als 0,2 mm auf. Klasse 7 kostet im Vorfeld mehr (ca. 30–40 % mehr als Klasse 2), amortisiert sich aber durch längere Lebensdauer und weniger Ausfallzeiten.

Material Allgemeine Korrosionsrate bei 50 Grad Zeit bis 50 % Wandverlust (1,65 mm bis 0,8 mm)Anwendung Relativer Kostenfaktor Kosten-Effektiv
Titan Grad 2 0,15-0,25 mm/Jahr 3–5 Jahre 1,0x Kleinvolumiges, intermittierendes Ätzen
Titan Grad 7 0,01-0,03 mm/Jahr 15–25 Jahre 1,3–1,4x Kontinuierlicher Prozess mit hohem Volumen
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/Jahr 10–15 Jahre 2,5–3,0x Nur spezielle Anwendungen
Anwendungsmatrix für die Auswahl der FeCl₃-Wärmequelle
Ätzvorgang Temperatur BadwechselrateEmpfohlene TitansorteErwartete Lebensdauer der Heizung (1,65 mm Wand)
PCB-Prototyping in geringem-Volumen bei 50 Grad, zeitweilig, Badwechsel monatlich, Klasse 2 5-7 Jahre
Großserienfertigung von Leiterplatten, 50 Grad, kontinuierlich, im Bad regeneriert, Güteklasse 7 12-15 Jahre
Chemisches Ätzen (dickes Metall) 55–60 Grad. Hoher Einsatz, kontinuierlich. Grad 7 8-10 Jahre
Regeneriertes FeCl₃ (geringer Fe²⁺) 50 Grad kontinuierlicher Grad 7 15+ Jahre
Gebrauchtes FeCl₃ (hoher Fe²⁺-Gehalt, weniger oxidierend), 50 Grad, Chargenentsorgungsqualität, 2 4-6 Jahre
Die kathodische Modifizierung durch Palladium in Titan Grad 7 führt zu Gesamtkorrosionsraten von etwa einem Zwanzigstel derjenigen von Grad 2 in Eisenchlorid-Ätzmittel bei 42 Grad B und 50 Grad C. Die Palladiumstellen modifizieren das Titanoberflächenpotential auf einen edleren Wert, was zu einer Verringerung des passiven Filmabbaus führt. Für kontinuierliche Ätzvorgänge mit hoher{6}}Produktion, bei denen die Zuverlässigkeit der Heizung und eine lange Lebensdauer von größter Bedeutung sind, sind die höheren Anschaffungskosten von Grad 7 gerechtfertigt. Klasse 2 bleibt die kosteneffiziente Wahl für den intermittierenden oder geringen Einsatz, bei dem eine Lebensdauer des Heizgeräts von 5 bis 7 Jahren akzeptabel ist. Fragen Sie bei der Spezifizierung nach der tatsächlichen Korrosionsrate, die in der spezifischen FeCl3-Lösung aufgezeichnet wurde. Spurenverunreinigungen (Kupfer, Nickel) können die Leistung beeinträchtigen.