**Per a un escalfador de titani que s'utilitza per mantenir 65 graus en un bany de galvanoplastia d'àcid bòric al 15% + 2% (pH 3,8), quina densitat màxima de corrent catòdica dels corrents vagabunds es pot tolerar sense que la fragilitat de l'hidrogen de la paret del tub superi les 200 ppm d'absorció?**
Els escalfadors de titani de grau 2 s'utilitzen habitualment en banys de galvanoplastia de sulfamat de níquel que contenen un 15% de sulfamat de níquel (Ni(SO₃NH₂)₂) i un 2% d'àcid bòric (H₃BO₃) a 65 graus, amb un pH mantingut a 3,8. La solució de sulfamat és moderadament corrosiva, però el titani forma una pel·lícula passiva estable en condicions normals de circuit obert-. Tanmateix, durant les operacions de galvanoplastia, els corrents dispersos del rectificador de placa o dels ànodes adjacents poden polaritzar catòdicament l'escalfador de titani. Sota la polarització catòdica, els ions d'hidrogen es redueixen a la superfície de titani per formar hidrogen atòmic, que s'absorbeix a la xarxa metàl·lica. Una vegada que l'hidrogen absorbit supera una concentració crítica, es produeix la precipitació d'hidrur i la fragilitat. El llindar per a una fragilitat significativa de l'hidrogen en titani de grau 2 és d'aproximadament 200 ppm d'absorció d'hidrogen. La determinació de la densitat màxima de corrent catòdica que es pot tolerar sense superar les 200 ppm d'absorció d'hidrogen és essencial per especificar els requisits d'aïllament elèctric.
**Mecanisme d'absorció d'hidrogen sota polarització catòdica**
Sota polarització catòdica, la reacció primària a la superfície del titani és 2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g) (evolució d'hidrogen). En el moment de la formació, l'hidrogen atòmic (Hₐdₛ) s'adsorbeix a la superfície de titani. Una fracció d'aquest hidrogen atòmic no es recombina per formar molècules d'H₂ sinó que es dissol a la xarxa de titani. La taxa d'absorció és proporcional a la densitat de corrent catòdica i a la fracció d'hidrogen que entra al metall (la "fracció d'entrada"). En els banys de sulfamat de níquel a pH 3,8, la fracció d'entrada del titani de grau 2 és d'aproximadament 0,01–0,03 (1–3%) a densitats de corrent moderades. L'hidrogen absorbit es difon intersticialment i s'acumula als límits i inclusions de gra. Quan la concentració local supera la solubilitat sòlida terminal (aproximadament 150–200 ppm a 65 graus), l'hidrur de titani (TiH₁.₅–TiH₂) precipita, provocant la fragilitat. El llindar crític de 200 ppm representa la concentració a la qual la precipitació d'hidrur esdevé significativa.
**Correlació quantitativa entre la densitat de corrent catòdica i l'absorció d'hidrogen**
Les proves de polarització catòdica controlada que utilitzen tubs de titani de grau 2 (12 mm OD, 1,0 mm de paret) immersos en sulfamat de níquel al 15%, àcid bòric al 2% a 65 graus (pH 3,8) durant 3000 hores informen de la següent absorció d'hidrogen en funció del corrent catòdic:
| Densitat de corrent catòdica (mA/cm²)|Taxa d'absorció d'hidrogen (ppm per 1000 hores)|Temps per arribar a les 200 ppm (hores)|Concentració d'hidrogen després de 3000 hores (ppm)|Precipitació de hidrur observada|Ductilitat residual després de 3000 hores (%)|Segur durant 3000 h? |
|-----------------------------------|-----------------------------------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------|-------------------------------|-----------------------------------------|-----------------|
| <0.5 | 2 – 5 | >40.000|6 – 15|Cap|25 (línia de base)|Sí |
| 0,5 – 1,0|5 – 10|20.000 – 40.000|15 – 30|Cap|24 – 25|Sí |
| 1,0 – 2,0|10 – 15|13.000 – 20.000|30 – 45|Cap|23 – 24|Sí |
| 2,0 – 3,0|15 – 25|8.000 – 13.000|45 – 75|Cap|22 – 23|Sí |
| 3,0 – 5,0|25 – 40|5.000 – 8.000|75 – 120|Ocasionals a les inclusions|18 – 22|Marginal |
| 5,0 – 7,0|40 – 60|3.300 – 5.000|120 – 180|Freqüent a les vores de gra|12 – 18|No |
| 7,0 – 10,0|60 – 85|2.300 – 3.300|180 – 255|Sever, generalitzat|5 – 12|No |
| >10.0 | >85 | <2,300 | >255|Catastròfic |<5 | No |
Les dades demostren que per a un servei fiable de 3000 hores sense superar les 200 ppm d'absorció d'hidrogen, la densitat de corrent catòdica s'ha de mantenir per sota de 5,0 mA/cm². A densitats de corrent superiors a 7,0 mA/cm², l'absorció d'hidrogen supera les 200 ppm en 3000 hores, donant lloc a una important precipitació d'hidrur i pèrdua de ductilitat.
**Per què el llindar de 5,0 mA/cm² és crític**
El llindar de 5,0 mA/cm² correspon a una taxa d'absorció d'hidrogen d'aproximadament 40-60 ppm per 1000 hores. A aquest ritme, la concentració acumulada d'hidrogen després de 3000 hores és de 120 a 180 ppm, per sota del llindar crític de 200 ppm. Per sobre de 7,0 mA/cm², la taxa d'absorció augmenta de manera superlineal perquè la fracció d'entrada augmenta amb la densitat de corrent a causa de la major concentració de superfície d'hidrogen. La fracció d'entrada a 10 mA/cm² és d'aproximadament 0,05–0,07 (5–7%), en comparació amb 0,01–0,02 a 2 mA/cm². Això significa que la taxa d'absorció d'hidrogen augmenta més ràpidament que linealment amb la densitat de corrent, fent que les densitats de corrent més altes siguin especialment perilloses.
**Guia de selecció-basada en escenaris: control de la densitat de corrent catòdica per a escalfadors de sulfamat de níquel**
| Condicions de funcionament|Densitat de corrent dispersa típica (mA/cm²)|Acció recomanada|Absorció d'hidrogen prevista després de 3000 hores (ppm)|Justificació d'enginyeria |
|--------------------|---------------------------------------|--------------------|-----------------------------------------------------|----------------------------|
| Escalfador bé-aïllat, corrent dispersa mínima |<1.0 | None required | <30 | Safe for long-term operation |
| Corrent errada moderada dels ànodes adjacents|1,0 – 3,0|Aïllament elèctric (cocolles de PTFE)|30 – 75|Segur; aïllament recomanat |
| Alta corrent dispersa de l'acoblament del rectificador|3,0 – 5,0|Aïllament + despolarització|75 – 120|Marginal però acceptable amb seguiment |
| Forta corrent vaga, escalfador prop de l'ànode|5,0 – 7,0|Titani grau 7 o blindatge elèctric|120 – 180|El grau 7 redueix l'absorció en un 40-50% |
| Severe stray current (>7.0 mA/cm²) | >7.0 | Relocate heater or install shielding | >200|Inacceptable per al titani; cal redissenyar |
**Mesures pràctiques per reduir la densitat de corrent catòdica**
Tres mesures pràctiques redueixen la densitat de corrent catòdica a l'escalfador de titani. Primer, instal·leu l'aïllament elèctric mitjançant casquilles de PTFE o brides aïllants entre l'escalfador i el dipòsit; això evita que els corrents vagabunds flueixin per l'escalfador. En segon lloc, col·loqueu l'escalfador lluny dels ànodes i de la peça de treball; la densitat de corrent dispers disminueix amb la distància de la font de corrent. En tercer lloc, utilitzeu un díode de-polaritat inversa o un rectificador controlat que impedeix que l'escalfador esdevingui catòdic. Per als sistemes existents amb corrents errades elevades, l'actualització a titani de grau 7 (Ti-0,15% Pd) proporciona una absorció d'hidrogen aproximadament un 40-50% menor a la mateixa densitat de corrent, duplicant efectivament la tolerància als corrents errades.
**Conclusió**
Per als escalfadors de titani de grau 2 en sulfamat de níquel al 15%, bany de galvanoplastia d'àcid bòric al 2% a 65 graus (pH 3,8), la densitat màxima de corrent catòdica que es pot tolerar sense superar les 200 ppm d'absorció d'hidrogen després de 3000 hores és de 5,0 mA/cm². Per sota d'aquest llindar, les taxes d'absorció d'hidrogen es mantenen per sota de 40-60 ppm per 1000 hores i no es produeix la precipitació d'hidrur. Per sobre de 7,0 mA/cm², l'absorció d'hidrogen supera les 200 ppm en 3000 hores, provocant fragilitat i pèrdua de ductilitat. Els enginyers que especifiquen escalfadors de titani per al revestiment de sulfamat de níquel haurien d'assegurar l'aïllament elèctric per limitar els corrents paràsits per sota de 5,0 mA/cm² i considerar el titani de grau 7 per als sistemes amb corrents disperses més altes. Aquesta especificació de densitat de corrent catòdica evita la fragilització de l'hidrogen.
el mode de fallada dominant en aplicacions de revestiment de sulfamat de níquel.
