Mikä titaanipinnan viimeistely (peittaus, kiillotettu tai hiekkapuhallettu) kestää parhaiten galvaanista hyökkäystä 60 asteen kulmassa ja korkealla virrantiheydellä toimiville kromipinnoitussäiliöille?

Kromipinnoitussäiliö tarjoaa erittäin aggressiivisen sähkökemiallisen ympäristön upotetuille lämmityslaitteille. Kylpy sisältää normaalisti 250-400 g/l kromihappoa (CrO3), jonka sulfaattikatalyyttisuhde on 100:1, käy 55-65 asteessa ja altistuu korkeille virrantiheyksille (20-60 A/dm²) pinnoitusprosessien aikana. Tässä palvelussa käytetään usein titaanilämmitysputkia, koska ne kestävät hapettavaa kromihappoa. Erityinen vikatila, galvaaninen hyökkäys, voi kuitenkin tapahtua, kun titaanin pinta altistuu pinnoitustasasuuntaajan hajavirroille tai kun se muodostaa paikallisia sähkökemiallisia kennoja muiden metallikomponenttien kanssa. Galvaaninen hyökkäys titaanilämmittimiin on erityisen herkkä valmistuksen aikana käytetylle pintakäsittelylle, toisin kuin homogeeninen korroosio tai pistesyöpyminen. Peitatut, kiillotetut ja hiekkapuhalletut pinnat antavat kromihappoliuoksissa melko monipuoliset pintaoksidiominaisuudet, passiivisen kalvon stabiilisuuden ja sähkökemiallisen aktiivisuuden. Tässä artikkelissa analysoidaan kunkin titaanin pintakäsittelyn galvaanisen korroosionkestävyyden kromipinnoitusolosuhteissa ja määritetään, mikä viimeistely tarjoaa pisimmän käyttöiän, kun lämmittimiä vaaditaan toimimaan suuritiheyksisellä pinnoitusvirralla.

Galvaaninen mekanismi kromihappoväliaineessa
Kuvataan kaksi kromipinnoitussäiliöiden titaanilämmitysputkien galvaanisen hyökkäyksen mekanismia. Ensimmäinen koostuu suorasta sähkökontaktista titaanin ja katodisemman metallin, yleensä kromauksessa käytettyjen lyijy- tai lyijy{1}}seosanodien tai ruostumattomasta teräksestä valmistetun säiliön seinämän välillä. Kun nämä erilaiset metallit kytketään sähköisesti kylpyelektrolyytin avulla, titaanista tulee anodi ja se liukenee kiihtyvällä nopeudella. Toinen mekanismi johtuu pinnoitussuuntaajan hajavirroista. Kromauksessa käytetään työkappaleen katodeja ja lyijyanodeja. Mikä tahansa eristämätön johtava pinta säiliössä voi poimia hajavirtaa, mikä johtaa joko anodiseen liukenemiseen (jos toimii anodina) tai vedyn kehittymiseen ja mahdolliseen haurastumiseen (jos toimii katodina). kromihapossa titaani ei ole samassa asemassa galvaanisessa sarjassa kuin neutraalissa tai pelkistävässä väliaineessa. Titaanilla on erittäin vakaa passiivinen kalvo ja se käyttäytyy jalometallin tavoin (kuten platina joissakin sähkökemiallisissa mittauksissa) hapettavassa kromihapossa (Cr6+-pitoisuus yli 200 g/L, redox-potentiaali yli +1.2 V vs. SHE). Tämä on kuitenkin jalo ominaisuus, joka tekee titaanista katodisen useimmille muille materiaaleille, mukaan lukien lyijy, ruostumaton teräs ja hiiliteräs. Kun titaani on kosketuksissa näiden metallien kanssa, se on suojattu ja kosketuksessa oleva metalli kärsii korroosiosta - suolaveden vastakohta.

Ongelma syntyy titaanilämmittimille, kun pintaoksidin paksuuden tai koostumuksen paikallinen vaihtelu luo galvaanisia kennoja saman titaaniputken eri alueiden väliin. Esimerkiksi hiekkapuhalletussa pinnassa on epätasainen mekaanisesti vaurioitunut oksidikerros, jossa on jännittynyttä metallia ja upotettuja hankaavia hiukkasia. Sen sijaan sileä, kemiallisesti yhtenäinen TiO2-levy edustaa kiillotettua pintaa. Hajavirtojen tai paikallisten potentiaaligradienttien läsnä ollessa epähomogeenisen pinnan vähemmän suojatut alueet voivat mieluiten syöpyä. Bulkkititaani on täysin passiivinen, mutta tämä itse-galvaaninen korroosio voi lävistää lämmittimen seinän kromipinnoituspalvelussa muutamassa kuukaudessa.

Oksidin stabiilisuus ja pinnan viimeistelyominaisuudet
Peittatut titaanipinnat saadaan upottamalla sekoitettuun happoliuokseen, tyypillisesti 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF 30-50 asteessa 2-10 minuutiksi. Peittaus poistaa alfa-kotelokerroksen (happikontaminoitunut pintakerros, joka muodostuu kuumatyöstössä tai hehkutuksessa) ja tuloksena on tasaisesti syövytetty mattaharmaa pinta, jonka karheus on kontrolloitu (Ra 0,8-1,6 µm). Oikein peitatussa titaanipinnassa on ohut (5-10 nm) oksidipinnoite, joka on stökiömetristä TiO2:ta ja vapaa upotetuista epäpuhtauksista. Peilatuilla pinnoilla on jatkuva avoimen piirin potentiaali +0.8 - +1.1 V vs. SCE ja passiivinen virrantiheys<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Kiillotetut titaanipinnat hiotaan mekaanisesti asteittain hienommilla hioma-aineilla peilipintaiseksi (Ra 0,1–0,4 µm). Kiillotus tuottaa erittäin sileän pinnan, jossa on tiheä ja virheetön oksidikerros. Mekaaninen kiillotus voi kuitenkin aiheuttaa jäännöspuristusjännitystä ja saattaa pintaan upottaa sub -mikronisia hankaavia hiukkasia (alumiinioksidia tai piikarbidia). Kromihapossa kiillotetulla titaanilla on jaloimmat avoimen -piirin potentiaalit (+1.0 - +1.2 V vs. SCE) ja pienimmät passiiviset virrantiheydet (alle 0,005 mA/cm²). Kiillotettu titaani on erittäin jaloa, joten se on erinomainen katodi yhdistettynä muihin metalleihin. Kiillotetun putken pinnan homogeenisuus tarkoittaa kuitenkin, että itse{13}}galvaaninen korroosio putken eri osien välillä on vähäistä.

Hiekkapuhalletut titaanipinnat muodostetaan iskustamalla (alumiinioksidi, piikarbidi tai lasihelmet) hankaavaan väliaineeseen suurella nopeudella. Hiekkapuhallus johtaa karkeaan ja työ{1}}kovettuneeseen pintaan (Ra 2,0-5,0 µm), johon on upotettu hankaavia sirpaleita, repeytyneitä metallipintoja ja erittäin epämuodostunutta oksidikerrosta. Hiekkapuhalletun titaanin oksidi ei ole jatkuva passiivinen kalvo, vaan TiO_2:n, osaoksidien (TiO, Ti_2O_3) ja paljaan titaanin seos törmäyskraatterien pohjalla. Kromihapossa hiekkapuhallettujen pintojen avoimen piirin potentiaalit vaihtelevat suuresti (−0,2 - +0.6 V vs SCE) riippuen muodonmuutosasteesta ja pintaan jääneestä materiaalista. Passiivinen virrantiheys on usein 10-100 kertaa suurempi kuin peittattujen tai kiillotettujen pintojen, mikä osoittaa, että aktiivista liukenemista tapahtuu kohdissa, joissa oksidikalvo ei ole täydellinen.

Galvaanisen virran tiheyden mittaukset
Nolla{0}}resistanssiampeerimittarilla (ZRA) ohjattu sähkökemiallinen testaus mahdollistaa galvaanisten taipumusten kvantitatiivisen vertailun eri pintakäsittelyjen välillä ja muihin metalleihin verrattuna. Galvaaniset virrat mitattiin titaaninäytteiden (pinta-ala 10 cm²) ja muiden tavallisten säiliömateriaalien välillä kromipinnoituskylvyn olosuhteissa (250 g/l CrO₃, 2,5 g/l H2SO₂, 60 astetta):

Lyijyanodeihin kytketyn peitatun titaanin (yleisin erilainen metallikosketus kromisäiliöissä) galvaaninen virrantiheys on 0,02 mA/cm² titaanin pinnalla – merkityksetöntä ja epätodennäköistä, että se aiheuttaa huomattavaa titaanihävikkiä viiden vuoden aikana. Lyijyksi kiillotettu titaani antaa 0,01 mA/cm2, myös vähän. Hiekkapuhallettu titaani, joka on sidottu lyijyyn, titaanin ollessa anodi, on 0,25 mA/cm2. Nykytiheys tarkoittaa titaanin liukenemisnopeutta noin 0,15 mm vuodessa, mikä riittää ohentamaan 1,65 mm:n putken seinämän rei'itykseen 5-7 vuodessa.

Galvaanista virtaa 0,03 mA/cm2 mitataan, kun peitattu titaani liitetään ruostumattomasta teräksestä valmistetun säiliön seinämiin (tyyppi 316L). Titaani on hieman katodista (suojattua) ja ruostumatonta terästä anodista. Kiillotettu titaani antoi 0,02 mA/cm2. Hiekkapuhallettu titaani antaa 0,08 mA/cm2, titaani on anodi paikallisissa aktiivisissa paikoissa ja tapahtuu piste{9}}tyyppistä hyökkäystä.

Titaanilämmittimien vakavin galvaaninen tila johtuu tasasuuntaajan hajavirroista. Kun lämmittimen apukatodi kytketään vahingossa (esim. maadoitusreitti, joka täydentää piirin tasasuuntaajan negatiiviseen napaan) aiheuttaa vedyn kehittymisen titaanin pinnalla. Vedyn kehittyminen peitatussa titaanissa alkaa noin -0,6 V vs SCE ja on voimakasta alle -0,8 V:n potentiaaleissa. Imeytynyt vety aiheuttaa haurastumista, mutta ei välitöntä seinämän tunkeutumista. Vedyn kehittyminen alkaa pienemmillä negatiivisilla potentiaaleilla (-0,4 V vs. SCE) hiekkapuhalletulle titaanille, ja siihen liittyy epämuodostuneen pintakerroksen hilseily, mikä paljastaa tuoreen titaanin, joka imee vetyä nopeasti. Katodi{11}polarisoidussa hydridikerrokset muodostuvat hiekkapuhalletuille pinnoille 100 tunnissa, minkä jälkeen ne halkeilevat ja halkeilevat.

Kromipinnoituslämmittimet Pintakäsittelyn valintamatriisi
Seuraava taulukko on täydellinen valintaopas, joka perustuu säiliön kokoonpanoon, tasasuuntaajan maadoitusmenetelmään ja lämmittimen suunniteltuun käyttöikään.

Säiliön kokoonpano ja käyttöolosuhteet Suositeltu titaanipinnan viimeistely seinämän paksuus (mm) Perustelu ja odotettu käyttöikä
Eristetyn lämmittimen asennus Tasasuuntaajan erillinen maadoitus Ei suoraa sähköliitäntää anodeihin/katodeihin Peittaus (normaali) 1,2-1,65 mm Peittattu pinta tuottaa vakaan passiivikalvon, jolla on vähän itsegalvaanista aktiivisuutta. Käyttöikä on tyypillisesti 5-8 vuotta.
Lämmitin laipallinen ruostumattomasta teräksestä valmistettuun säiliöön, yhteinen maadoitus pinnoitustasasuuntaajan kanssa.1,5-1,65 mm kiillotettu Tasaisempi pinta vähentää galvaanisen kytkennän ruostumattomaan teräkseen; Suurempi jalo lyhentää nykyisen hajautusvuoden käyttöikää. 6-10.
Lämmitin samassa virtakiskossa lyijyanodien kanssa (kytketty sähköisesti) Kiillotettu 1,65-2,0 mm Kiillotettu pinta on jalo katodi, joka suojaa lämmitintä anodin käyttöiän kustannuksella; sopii, jos anodin kulutus on odotettavissa.
Huono hajavirran ohjaussäiliö Toistuva kosketus lämmittimen ja työkappaleiden välillä Peittattu + sähköeristys (PTFE-holkit) 1,65 mm Pintakäsittely ei ole tarpeen asianmukaisella eristyksellä; marinoitu on taloudellinen; vaihda, jos naarmut paljastavat paljaan metallin.
Voimakkaasti sekoitettu säiliö hankaavalla kromihapposumulla (hiukkasten eroosiopotentiaali) Hiekkapuhallettu (tahallinen) 2,0 mm tai enemmän Hyväksy lyhentynyt galvaaninen käyttöikä (3-5 vuotta) pinnoitteen kiinnittymiselle. Hiekkapuhallus on perusteltua vain pinnoitteiden mekaanisen otteen vuoksi.
Säiliön jälkiasennus tuntemattomilla maadoitusolosuhteilla Kiillotettu 1,65 mm Kiillotettu pinta tarjoaa suurimman suojan tuntemattomien hajavirtojen aiheuttamaa galvaanista hyökkäystä vastaan. Tarkista kuuden kuukauden kuluttua.
Käytännön vaikutukset lämmittimen määrittelyyn
Titaanisen uppolämmittimen pinnan laatu ei ole vain esteettinen seikka, vaan galvaaninen yhteensopivuustekijä kromipinnoitussäiliön ympäristön kanssa. Teollisuudessa useimmille titaanikomponenteille yleiset peittauspinnat sopivat oikein maadoitettuihin ja sähköisesti erotettuihin lämmitinasennuksiin, joissa ainoa galvaaninen liitäntä on passiivinen kosketus kylvyn kanssa. Kuitenkin pinnoitetuilla tasasuuntaajilla maadoitetuissa lämmittimissä, ruostumattomasta teräksestä valmistettujen säiliön seinien kanssa kosketuksiin joutuvien laippojen asentamiseen tai kun pelätään hajavirtoja, kiillotettu pinta parantaa mitattavissa olevaa galvaanista vastusta. Kiillotetun titaanin korkeampi jaloisuus ja näennäinen tasalaatuisuus vähentävät galvaanisen kytkennän käyttövoimaa ja paikallisen hyökkäyksen aktiivisten kohtien määrää.

Vältä hiekkapuhallettuja pinnoitteita kromauksessa, ellei niitä erityisesti vaadita pinnoitteen tarttumiseen (esim. PTFE-pinnoitteet vähentämään kromihapon vetoa-). Mekaaniset vauriot ja kiinni jääneet hioma-aineet johtavat epätasaiseen, sähkökemiallisesti aktiiviseen pintaan, joka tukee galvaanisia virtoja 5–20 kertaa suurempia kuin peitatut tai kiillotetut pinnat. Kromikylpyjen hiekkapuhalletusta titaanista valmistetut lämmittimet ovat rikkoutuneet galvaanisella rei'ityksellä vain 18 kuukaudessa, kun samassa käytössä olevissa kiillotetuissa lämmittimissä 7-10 vuotta.

Johtopäätös kromipinnoitusinsinööreille
Tilattaessa titaanilämmitysputkia kromaussäiliöihin, jotka toimivat 60 asteen kulmassa ja suurilla virrantiheyksillä, kun sähköeristystä pinnoituspiiristä ei välttämättä voida taata, paras määritettävä pinnanlaatu on kiillotettu (peiliviimeistely, Ra pienempi tai yhtä suuri kuin 0,4 µm). Löytyy kiillotettujen pintojen jaloimmat avoimen piirin potentiaalit, pienimmät passiiviset virrat ja paras hajavirtojen aiheuttaman hajoamiskestävyys. Peittaus (Ra 0,8-1,6 µm) tarjoaa saman käyttöiän alennettuun hintaan täysin eristetyille lämmitysjärjestelmille, joissa on omat maareitit ja joissa ei ole kosketusta anodeihin tai säiliön seiniin. Hiekkapuhallettua pintakäsittelyä ei suositella mihinkään kromipinnoitussovelluksiin niiden korkean galvaanisen aktiivisuuden ja nopeiden vikojen vuoksi. Tavalliset kaupalliset titaanilämmittimet toimitetaan tyypillisesti vaihtelevalla viimeistelyllä (myllyhehkutettu tai vedetty), joka ei välttämättä sovellu kromipinnoituspalveluun. Insinöörien tulee mainita pintakäsittely erityisesti hankinta-asiakirjoissa. Kiillotettu pinta lisää lämmittimen kustannuksia 10-15 %, mutta pidentää käyttöikää 50-100 %. Tämä on yksi edullisimmista mahdollisista sijoitetun pääoman tuotoista kromikylpylaitteiden valinnassa.