Проблемът с пълзящото pH
Баните за киселинно калайдиране на основата на метансулфонова киселина или сярна киселина работят при рН под 1,0. Високата киселинност предотвратява хидролизиране и утаяване на калаен калай (Sn²⁺) като калаен оксид. Очаква се рН да остане стабилно, с изключение на незначителни колебания от изтегляне-навън и допълване. И все пак операторите наблюдават бавно, прогресивно покачване на pH в продължение на седмици работа. pH се изкачва от 0,5 до 1,5, приближавайки се до прага, при който започва утаяването на калай.
Източникът на покачването на рН не е грешка при изтегляне-или химично добавяне. Това е потопяем нагревател от неръждаема стомана. Киселинният електролит корозира повърхността на нагревателя, като консумира водородни йони в катодната полу-реакция на процеса на корозия. Всеки консумиран водороден йон повишава pH на банята с малка стъпка. В продължение на седмици на непрекъсната корозия, кумулативното повишаване на pH става значително.
PTFE топлообменник не корозира. Не консумира водородни йони. Повишаването на pH от този източник се елиминира.
Механизмът-задвижван от корозия за промяна на pH
Неръждаемата стомана в горещ киселинен калаен електролит корозира чрез галваничен механизъм. Анодната реакция е разтварянето на желязо, хром и никел от сплавта: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Катодната реакция на същата повърхност е редукция на водородни йони: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Водородните йони идват от киселинния електролит. Всеки разтворен метален атом консумира два водородни йона.
Скоростта на корозия на неръждаема стомана в метансулфонова киселина при 50 градуса е приблизително 0,05-0,15 mm/година. За една година непрекъсната работа нагревател с 2 m² повърхност губи приблизително 150-450 грама метал. Консумацията на водородни йони, стехиометрично свързана с тази загуба на метал, е 5-16 мола H⁺ на година.
За баня от 8000- литра, съдържаща 0,1 М киселина (първоначално 800 мола H⁺), годишната консумация от 5-16 мола представлява 0,6-2,0% намаление на концентрацията на киселина. Въпреки че процентът изглежда малък, pH скалата е логаритмична. Намаляване с 2% на концентрацията на водородни йони в силна киселина измества pH измеримо - обикновено от 0,5 до 1,0-1,5 за една година.
| Параметър за стабилност на pH | Нагревател от неръждаема стомана | Титанов нагревател | PTFE топлообменник |
|---|---|---|---|
| Скорост на корозия в MSA при 50 градуса (mm/година) | 0.05-0.15 | 0.02-0.08 | 0 |
| Годишно разтваряне на метал (грамове) | 150-450 | 60-240 | 0 |
| Годишна консумация на H⁺ (молове) | 5-16 | 2-8 | 0 |
| Промяна на pH за 12 месеца (от 0,5) | 0.5 → 1.0-1.5 | 0.5 → 0.8-1.2 | Няма смяна |
| Корективни киселинни добавки на година | 4-8 | 2-4 | 0 |
Вторичните ефекти на разтворените метали
Йоните на желязото, хрома и никела, освободени от корозията, имат допълнителни ефекти върху калаената баня. Двувалентното желязо (Fe²⁺) се окислява от разтворен кислород до тривалентно желязо (Fe³⁺). След това желязото окислява калаен калай (Sn²⁺) до калаен калай (Sn4⁺), който хидролизира и се утаява като утайка от калаен оксид. Желязото действа като катализатор за окисляването на калай, ускорявайки загубата на ценен калай от ваната.
Разтворените метали също допринасят за грапавостта и порьозността на отлаганията. Желязото се отлага с калай, променяйки състава на отлаганията и намалявайки устойчивостта му на корозия. Ефектите върху качеството на отлаганията усложняват проблема със стабилността на pH.
PTFE елиминира както промяната на pH, така и замърсяването с метал. Химическият състав на ваната остава стабилен. Окисляването на калай е ограничено до неизбежната реакция с атмосферния кислород, която може да се управлява чрез покриване на инертен газ или антиоксидантни добавки.
Опростяване на контрола на процеса
При метален нагревател операторът трябва да следи рН и периодично да добавя киселина, за да компенсира потреблението,-предизвикано от корозия. Добавките са реактивни-направени, когато pH вече се е променило-и ваната преминава през цикъл на pH между добавянията. Процесът на нанасяне на покритие работи при вариращо рН, със съответните вариации в качеството на депозита.
С PTFE обменник pH е стабилно. Добавянето на киселина е необходимо само за-замяна на източване. Ваната работи при постоянно pH. Качеството на депозита е постоянно. Времето на оператора и разходите за химикали за реактивно регулиране на рН са елиминирани.
Резюме
Необяснимо повишаване на рН в бани с кисели калай се причинява от консумация на водородни йони в катодната полу{0}}реакция на корозия на нагревател от неръждаема стомана. Всяка година се консумират 5-16 мола H⁺, измествайки рН от 0,5 до 1,0-1,5 в 8000-литрова баня. PTFE топлообменниците не корозират, не консумират водородни йони и поддържат стабилно pH. Елиминирането на замърсяването с разтворен метал също предотвратява катализираното от желязо оксидиране на калай и влошаване на качеството на отлаганията.
Инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник в киселинен калай и други вани за нанасяне на покритие, чувствителни към рН, е налична при подаване на химия на ваната, работна температура, текущи данни за тенденцията на рН и нива на замърсяване с метал.
