Gli scopi principali dei bagni di processo galvanico comprendono il perfezionamento della superficie dei pezzi e la regolazione delle proprietà fisiche. A tal fine, gli additivi del bagno (ad esempio composti organici o agenti complessanti) vengono regolarmente aggiunti in quantità diverse, a seconda del carico di lavorazione. Poiché la composizione del bagno cambia continuamente a causa dell'introduzione dei pezzi, è necessario un attento monitoraggio della concentrazione degli additivi del bagno per garantire che la qualità del prodotto finale sia al massimo livello.
Questa nota applicativa al processo presenta un metodo per analizzare accuratamente gli agenti complessanti in linea nei bagni galvanici con un analizzatore Raman 2060 di Metrohm Process Analytics. Ciò consente il controllo del bagno in tempo reale e quindi un aumento dell’efficienza produttiva e della qualità del prodotto.
Il processo di galvanizzazione consiste nell'utilizzare l'elettricità per rivestire un materiale (ad esempio rame (Cu)) con uno strato sottile di un altro materiale (ad esempio nichel (Ni), zinco (Zn)), solitamente per motivi protettivi.
Lo zinco e le sue leghe (ad esempio Zn/Ni) sono alcuni dei principali materiali utilizzati per la protezione contro la corrosione dell'acciaio. Tuttavia, le leghe Zn-Ni vengono utilizzate principalmente perché sono da cinque a sei volte più resistenti dello Zn puro nel contrastare la corrosione [1].
Alla soluzione elettrolitica nel bagno vengono aggiunti additivi organici o agenti complessanti per migliorare il processo di deposizione e quindi la resistenza alla corrosione [2].
Durante il processo di galvanica, vengono utilizzati agenti complessanti per formare complessi con ioni metallici nella soluzione di placcatura elettrolitica. Questi complessi aiutano a mantenere gli ioni metallici in soluzione, prevenendone la precipitazione prematura o reazioni collaterali indesiderate. Le ammine, ad esempio, possono agire come agenti complessanti nei bagni alcalini Zn/Ni. Formano complessi stabili con ioni metallici (ad esempio Zn2+ e Ni2+), impedendo loro di reagire con altri ioni. Ciò aiuta a controllare il potenziale di deposizione, a migliorare la conduttività e a sopprimere la formazione di dendriti [3].
Tradizionalmente, il monitoraggio della concentrazione degli agenti complessanti nei bagni galvanici viene effettuato manualmente. Si tratta di un processo complicato, che comporta l'estrazione di campioni di bagno che devono essere trasportati in un laboratorio per l'analisi.
Queste azioni non solo non riescono a catturare la composizione in tempo reale dei bagni, ma comportano anche rischi per la sicurezza. Il ritardo tra la raccolta del campione e l'analisi può portare a risultati pregiudicati, poiché potrebbero verificarsi cambiamenti nel processo di galvanica prima del completamento dell'analisi.
L'utilizzo della spettroscopia Raman in linea affronta queste sfide consentendo l'analisi continua di componenti organici e inorganici, compresi gli agenti complessanti, in tempo reale. A differenza dei tradizionali metodi chimici umidi, la spettroscopia non richiede la preparazione del campione e può essere perfettamente integrata nel processo di galvanica. Ciò consente informazioni dettagliate minuto per minuto sulle condizioni del bagno e facilita un controllo più preciso sul potenziale di deposizione, sulla conduttività e sulla formazione di dendriti. Ciò non solo migliora l’efficienza, ma contribuisce anche alla sicurezza e all’affidabilità delle operazioni di galvanica.
Un analizzatore di processo in linea può essere collegato al bagno galvanico tramite fibra ottica e una cella a flusso (Figura 1). Per sfruttare la capacità di multiplexing (ovvero più bagni in alternanza), è possibile attivare valvole che garantiscono il riempimento della linea di campionamento e la successiva pulizia. L'intero flusso di lavoro, compresa la gestione dei liquidi, viene eseguito in modo completamente automatico.
Metrohm Process Analytics fornisce una soluzione analitica per il monitoraggio del bagno galvanico: analizzatori di processo Raman. L'analizzatore Raman 2060 (Figura 2) offre un'analisi rapida, priva di reagenti e non distruttiva degli agenti complessanti (ammine) nei bagni alcalini Zn/Ni.
Per l'analisi automatizzata durante le operazioni di routine, l'applicazione è sviluppata in anticipo da Metrohm Process Analytics. A questo scopo, gli spettri vengono registrati con l'analizzatore Raman 2060 (Figura 2). Gli spettri vengono correlati con i dati di un metodo di analisi di riferimento e viene creato un robusto modello di calibrazione.
Il modello di calibrazione viene utilizzato automaticamente nel processo. L'utente riceve i risultati della misurazione della concentrazione sia in forma tabellare che come grafico dell'andamento del processo (Figura 3). I valori possono essere trasferiti ad un sistema di controllo di processo tramite un'interfaccia di comunicazione di processo.
Tabella 1. Parametri di processo misurati dall'analizzatore Raman 2060 nei bagni galvanici.
| Concentrazione [g/L] | |
|---|---|
| Additivi organici (elettroliti) | 0−100 ± 0.5 |
l grafico delle tendenze nella Figura 3 mostra i risultati dell'analisi Raman in linea degli additivi organici in un bagno di placcatura galvanica rispetto all'analisi di riferimento eseguita manualmente. L'analisi in linea rileva molto meglio i cambiamenti del processo, consentendo ai produttori di regolare la composizione del bagno più rapidamente, risparmiando sui costi.
Un metodo di riferimento deve essere ancora in uso. Una gamma appropriata di campioni che coprano la variabilità del processo dovrebbe essere analizzata con entrambi i metodi (cioè riferimento primario e Raman) per costruire un modello Raman accurato.
Vengono effettuate correlazioni con le specifiche del processo. La sonda Raman corretta deve essere posizionata in situ in modo da garantire un contatto sufficiente del campione con la finestra della punta della sonda. La corretta progettazione della sonda e il corretto posizionamento nell'attrezzatura di processo sono estremamente importanti.
La spettroscopia Raman è una tecnica analitica di facile utilizzo che identifica liquidi e solidi in pochi secondi. L'analizzatore Raman 2060 di Metrohm Process Analytics è un sistema Raman ad alte prestazioni progettato per il monitoraggio di diversi processi come la galvanica.
Insieme ai software Vision e IMPACT di Metrohm, l’analizzatore Raman 2060 può essere utilizzato per acquisire risultati in tempo reale, aumentare la produttività e ridurre i costi di produzione.
- Feedback in tempo reale sul processo per garantire un elevato livello di controllo dei rivestimenti.
- Individuazione precoce dei guasti del bagno.
- Parametri multipli da una singola misurazione.
- Spettri Raman unici che fungono da impronte digitali specifiche per l'identificazione del materiale.
- Leiden, A.; Kölle, S.; Thiede, S.; et al. Model-Based Analysis, Control and Dosing of Electroplating Electrolytes. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020, 111 (5), 1751–1766. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06190-0.
- Gezerman, A. O. Effects of Novel Additives for Zinc-Nickel Alloy Plating. Eur. J. Chem. 2019, 10, 118–124. https://doi.org/10.5155/eurjchem.10.2.118-124.1834.
- Son, B.-K.; Choi, J.-W.; Jeon, S.-B.; et al. Concentration Influence of Complexing Agent on Electrodeposited Zn-Ni Alloy. Appl. Sci. 2023, 13 (13), 7887. https://doi.org/10.3390/app13137887.
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