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Cos'è la finitura superficiale?
La finitura superficiale è una serie di processi industriali con l'obiettivo principale di alterare la superficie di un determinato pezzo al fine di ottenere proprietà specifiche. Questa può essere eseguita chimicamente, meccanicamente o anche elettronicamente allo scopo di rimuovere, alterare, aggiungere o rimodellare il materiale da trattare.
Industrie che utilizzano tecniche di finitura superficiale
Le tecniche di finitura superficiale sono utilizzate dalla maggior parte delle industrie che producono parti industriali (ad es. metalli, wafer, strumenti e altro). L'uso dei processi di finitura superficiale è in aumento a livello globale e si prevede che crescerà ulteriormente. Un articolo pubblicato da Grand View Research (2019) prevedeva che la dimensione del mercato dei prodotti chimici per la finitura dei metalli dovrebbe crescere fino a $ 13,52 miliardi di dollari entro il 2025.
Le persone pensano principalmente alla lucidatura e alla levigatura quando si parla di finitura superficiale, ma è molto di più. Diverse industrie utilizzano diversi processi per trattare le superfici con l'obiettivo principale di ottenere la massima qualità del prodotto. Secondo Grand View Research, i primi tre settori con la maggiore quota di mercato per i prodotti chimici per superfici metalliche sono automobilistico e aerospaziale, semiconduttori, e l'industria dei metalli (es. macchinario industriale, edilizia).
La Figura 1 (riproposta dalla previsione globale del mercato dei prodotti chimici per la finitura dei metalli al 2021) mostra che la finitura superficiale è utilizzata principalmente nell'industria automobilistica. Qui, la galvanica e la placcatura elettrolitica sono i principali processi utilizzati per proteggere dalla corrosione. Il processo di galvanica consiste nell'usare l'elettricità per rivestire un materiale (es. rame) con uno strato sottile di un altro materiale (es. nichel). La placcatura chimica si ottiene con processi chimici che riducono i cationi metallici in un bagno e li depositano come uno strato uniforme, anche su superfici non conduttive.
Poi c'è l'industria dei semiconduttori, che include il processo di produzione e pulizia delle superfici di parti elettriche ed elettroniche, nonché wafer di silicio. Questo settore comprende processi di placcatura (ad es. placcatura chimica) e bagni di pulizia chimica. I bagni di pulizia chimica vengono utilizzati qui per rimuovere eventuali contaminanti dalle superfici dei wafer.
Infine arriva l'industria metallurgica, responsabile della creazione dell'infrastruttura da cui dipende il nostro mondo moderno. Qui, il processo di zincatura viene utilizzato per rendere il metallo resistente alla corrosione e al calore. La zincatura è una misura anticorrosiva adottata su ferro e acciaio (così come altri metalli) mediante l'applicazione di un rivestimento protettivo di zinco che non consente l'ossidazione. Lo zinco funge anche da anodo sacrificale che protegge comunque il metallo sottostante in caso di graffio della superficie zincata. I bagni di decapaggio sono un altro processo di finitura superficiale comune per questo settore. Questi bagni acidi vengono utilizzati per rimuovere lo strato di ossido che si è formato sulla superficie durante il laminatoio a caldo. Se l'acciaio di base è decapato in eccesso, può causare vaiolatura della superficie del metallo, che porta a un rivestimento ruvido indesiderato e blisterato nelle successive fasi di zincatura e consuma anche eccessivamente l'acido di decapaggio (ad es. HCl).
Molto più che semplici rivestimenti decorativi
Le apparenze contano? Quando si parla di prodotti, assolutamente! Uno dei motivi per cui le superfici dei prodotti vengono trattate è che hanno un aspetto più gradevole per i consumatori, ma anche per ragioni più tecniche che vanno oltre l'aspetto. Poiché i processi di finitura superficiale sono utilizzati in un'ampia gamma di settori, servono a scopi diversi a seconda degli usi dei prodotti finali.
Nell'industria dei semiconduttori, qualsiasi difetto sui componenti (ad es. wafer di silicio, microelettronica, circuiti stampati, ecc.) può influire sulle prestazioni del prodotto finale. Pertanto, il mantenimento delle corrette concentrazioni di tutti i componenti nel bagno di pulizia chimica garantisce un processo di incisione ripetibile, che a questo scopo significa l'eliminazione dei difetti superficiali.
Un altro esempio include i bagni di fosfatazione, che vengono utilizzati per migliorare la resistenza alla corrosione delle parti del prodotto utilizzate nell'industria automobilistica e aerospaziale. Questo processo viene eseguito prima di qualsiasi verniciatura per proteggere la struttura della carrozzeria dai fattori ambientali. Anche i bagni di fosfatazione devono essere mantenuti coerenti per garantire il corretto (e identico) spessore dello strato protettivo in ciascuno dei prodotti sottoposti a questo processo.
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Sfide nei processi di finitura delle superfici: manutenzione quotidiana del bagno
Come ogni processo, la finitura superficiale presenta sfide quotidiane che possono essere migliorate. Il miglioramento può venire solo dalla conoscenza della composizione del bagno e di come influisce sul prodotto finale. In genere, il monitoraggio della concentrazione dei bagni chimici viene effettuato tramite campionamento e titolazione manuali in un laboratorio in loco (in alcuni casi, da un laboratorio esterno). Sebbene questo metodo funziona, può portare a lunghi tempi di attesa dal momento in cui viene prelevato il campione fino al risultato finale, pertanto i risultati non sono più rappresentativi delle condizioni di processo attuali. A causa di questo ritardo, il riempimento del bagno può essere compromesso da un dosaggio eccessivo o insufficiente dei componenti, portando a una composizione del bagno non ottimale e alla qualità del prodotto risultante (figura 2).
L'analisi manuale del bagno e il dosaggio chimico basato su vecchi dati influenzano direttamente i profitti dell'azienda poiché il produttore perde denaro a causa dell'uso eccessivo di prodotti chimici per il bagno o della produzione di prodotti scadenti. Maggiore è il volume del bagno di placcatura, maggiore è il costo dei prodotti chimici utilizzati. I bagni di finitura superficiale possono arrivare a 3500 L (1.000 galloni) o più. Pertanto, è estremamente importante ottimizzare il dosaggio dei prodotti chimici per ridurre i costi e gli sprechi inutili pur garantendo la massima qualità.
In caso di sovradosaggio dei bagni, vengono utilizzate più sostanze chimiche del necessario, il che aumenta i costi operativi complessivi. Tuttavia, se i bagni vengono sottodosati sulla base dei vecchi dati, i prodotti finali potrebbero essere difettosi, il che si traduce anche in un aumento dei costi operativi.
Inoltre, i processi di finitura superficiale coinvolgono molte sostanze pericolose. Quando si esegue una valutazione del rischio, la prima risorsa è l'uso di dispositivi di protezione individuale (DPI) e qualsiasi potenziale rischio di esposizione dovrebbe idealmente essere eliminato da qualsiasi processo.
L'analisi automatizzata dei componenti del bagno con un analizzatore di processo online o in linea elimina completamente il rischio di esposizione del personale dell'impianto ai rischi associati alle sostanze chimiche utilizzate, oltre a prendersi cura del precondizionamento del campione e del campionamento stesso. Con un controllo ad anello chiuso, si ottengono misurazioni rapide che portano a risultati rapidi e tempi di risposta per regolazioni di processo ottimizzate.
La soluzione: operare in modo più sicuro ed efficiente con l'analisi automatizzata dei processi
L'analisi del processo mediante titolazione manuale richiede in genere diversi passaggi: raccolta del campione, precondizionamento del campione, manipolazioni volumetriche, calcolo, registrazione e verifica dei risultati e, infine, invio di feedback al processo. Tutti questi possono essere totalmente eliminate utilizzando l'analisi online e in linea.
I vantaggi di questo sono molto chiari. Limitando le fasi di manipolazione manuale, viene eliminato qualsiasi rischio di esposizione a sostanze chimiche pericolose. L'errore di campionamento, gli errori volumetrici e l'ambiguità dell'end point da analista ad analista non sono più un problema. Inoltre, il campionamento può essere effettuato su base temporizzata e può essere programmato in modo che avvenga più frequentemente di quanto possibile con metodi manuali, offrendo un controllo del processo molto maggiore.
L'analizzatore può essere utilizzato per controllare completamente un processo con feedback diretto dei risultati per il corretto dosaggio di sostanze chimiche nei bagni di invecchiamento. I dati vengono registrati e calcolati automaticamente. I grafici e i segnali sullo schermo possono avvertire di condizioni di processo divergenti insieme a uscite di allarme per notificare agli operatori i problemi relativi al bagno. L'interfaccia utente è programmata da un'operazione semplice ed intuitiva, e può essere eseguita anche da non chimici.
Vantaggi dell'analisi online e in linea nei processi di finitura superficiale:
- Riduci il lavoro manuale: risparmia tempo e denaro
- Ambiente di lavoro più sicuro: evita il contatto con sostanze chimiche pericolose
- Tempi di risposta più rapidi per elaborare le modifiche – migliore qualità del prodotto
- Consumo di prodotti chimici ottimizzato: meno sprechi, costi ridotti
Metrohm Process Analytics ha più di 45 anni di esperienza nell'analisi e nell'ottimizzazione dei processi. Gli esempi seguenti mostrano la nostra esperienza nella configurazione di analizzatori di processo in linea e online per diversi processi di finitura superficiale.
Scopri le differenze tra misurazioni in linea, online, atline e offline nel nostro precedente post sul blog.
Monitoraggio automatizzato dei bagni di pulizia e mordenzatura
Le superfici metalliche possono presentare graffi, impurità e altre imperfezioni che possono interferire con ulteriori processi di produzione (ad es. placcatura o verniciatura). Perciò, i bagni di pulizia e mordenzatura sono un passaggio fondamentale per ottenere superfici pulite, levigate e non danneggiate.
Tradizionalmente, questi prodotti chimici per il bagno vengono misurati offline in laboratorio dopo aver prelevato un campione dal processo. Tuttavia, come accennato in precedenza, i metodi manuali di laboratorio comportano lunghi tempi di risposta in caso di modifiche del processo (ad es. miscela di reazione, livelli di umidità, …) e anche la preparazione del campione può introdurre errori, alterando la precisione dell'analisi. Inoltre, può essere piuttosto ingombrante poiché è necessario implementare diverse procedure operative per analizzare più parametri tra cui alcalinità, idrossido di ammonio, perossido di idrogeno e altro ancora.
Un altro esempio di bagni di pulizia sono i bagni acidi misti, generalmente composto da acido solforico, acido fluoridrico e acido nitrico. La titolazione fornisce solo il valore acido del campione analizzato; pertanto, non è possibile sapere quanto di un acido specifico sia presente nei bagni. Tuttavia, la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è la tecnica analitica perfetta per monitorare ogni acido individualmente.
Gli analizzatori di processo NIRS XDS senza reagenti consentono il confronto dei dati spettrali in tempo reale dal processo con un metodo primario (ad esempio la titolazione) per creare un modello semplice ma indispensabile per l'ottimizzazione del processo. NIRS è economico e veloce, consentendo analisi qualitative e quantitative non invasive e non distruttive. L'integrazione di tecniche spettroscopiche in linea consente agli operatori di ottenere un maggiore controllo sul processo di produzione e di aumentare la sicurezza generale.
Oltre agli analizzatori di processo NIRS, Metrohm Process Analytics può progettare e personalizzare celle a flusso continuo (Figura 5). Questi si fissano ai tubi già presenti in loco per una facile installazione senza la necessità di modificare la configurazione esistente.
Scarica la nostra Application Note di processo gratuita di seguito per ulteriori informazioni.
Monitoraggio automatizzato dei bagni di fosfatazione
Il processo di fosfatazione produce un rivestimento superficiale duro, elettricamente non conduttivo che aderisce saldamente al metallo sottostante. Questo strato protegge dalla corrosione e migliora l'adesione di vernici e finiture organiche da applicare successivamente.
La fosfatazione è composta da due parti: una reazione di attacco con acido fosforico che aumenta la rugosità superficiale e una seconda reazione in superficie tra i fosfati alcalini e gli ioni metallici precedentemente generati. Questo rivestimento è piuttosto sottile e offre solo una protezione anticorrosione di base. L'aggiunta di cationi metallici (come zinco, manganese e calcio) al bagno di fosfatazione determina la formazione di fosfati di zinco molto resistenti con uno spessore del rivestimento compreso tra 7 e 15 volte più spesso, perfettamente adatti per uso esterno.
Nei bagni di pulitura, sgrassaggio e risciacquo, ed anche nello stesso bagno di fosfatazione (Figura 6), i vari parametri coinvolti nel processo devono essere mantenuti stabili. Conducibilità, valore del pH, alcalinità libera e alcalinità totale sono tra i parametri principali che devono essere determinati nei bagni di sgrassaggio e risciacquo. Gli acidi liberi e totali, l'acceleratore, lo zinco e il fluoruro vengono monitorati in bagni di fosfatazione. L'analizzatore di processo 2060 di Metrohm Process Analytics (Figura 7) monitora, registra e documenta tutti questi parametri critici contemporaneamente. La combinazione di diversi metodi analitici all'interno di un sistema e la gestione intuitiva tramite l'interfaccia utente ben organizzata garantiscono monitoraggio facile e affidabile dell'intero processo.
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Analisi in linea dello ione nichel e contenuto di ipofosfito in electroless bagni di nichelatura
Riassunto
Per riassumere, gli analizzatori di processo online e inline di Metrohm Process Analytics sono la soluzione ideale per automatizzare l'analisi dei processi di finitura superficiale grazie ai vantaggi completi che offrono:
- Nessun campionamento manuale necessario, quindi una minore esposizione del personale a sostanze chimiche pericolose
- Maggiore durata del bagno grazie al serraggio delle finestre di processo (sono necessari meno sostanze chimiche)
- Riduci al minimo il rischio di tempi di fermo con dati più veloci e precisi
- Conformità più facile con i requisiti del prodotto finale mediante l'automazione dei processi
