Vaihto{0}}titaanipinnan viimeistelyyn rautakloridipalvelussa
Rautakloridi (FeCl 3 ) -etsausliuokset ovat erittäin hapettavia ja syövyttävät aggressiivisesti useimpia metalleja. Tyypillinen rautakloridi on 42 Bé-astetta (noin 40 % FeCl 3 ). Titaani valittiin passiivisen TiO₂-kerroksen vuoksi, mikä tekee siitä kestävän FeCl3:a. Kuitenkin pistesyöpyminen on passiivisen pinnoitteen paikallinen hajoaminen, yleensä pintavirheiden, sulkeumien tai mikromittakaavaisten rakojen kohdalla. Keskimääräisellä karheudella Ra mitattuna pintakäsittelyllä on suora vaikutus mahdollisten pistesyöpymiskohtien määrään ja kokoon. Tasaisempi pinta (matala Ra) poistaa mikroskooppiset halkeamat ja vähentää kloridi-ionien pitoisuuksien määrää. Erittäin sileä pinta (Ra < 0,2 µm) vaatii sähkökiillotusta tai mekaanista kiillotusta ja lisää kustannuksia. Nykyinen tutkimus määritti korrelaation Ra-arvon ja pistesyöpymisajan välillä 42 asteen Bé FeCl3:ssa 50 asteessa ja määritti pinnan viimeistelyn, joka tarjosi maksimikeston ennen kuopan alkamista.

Mekaanisen eheyden vaikutukset: Pistojen alkaminen ja pinnan karheus
Titaanin ferrikloridiliuoksen pistäminen alkaa kohdista, joissa passiivinen kalvo on ohuin tai missä halkeamat sallivat kloridin kerääntymisen. Karkealla pinnalla (Ra > 1,0 µm) laaksot ovat kuin mikrohalkeamia. Nämä kourut ovat tyypillisesti 5–20 µm leveitä ja syvyys samaa suuruusluokkaa kuin Ra-arvo. Näissä laaksoissa kloridi-ionit kerääntyvät diffuusiorajoitusten vuoksi ja paikallinen pH laskee metallikloridien hydrolyysin vuoksi, mikä käynnistää pisteen muodostumisen. Tasaisella pinnalla (Ra < 0,4 µm) laaksot ovat matalia (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Lämpötehokkuus: Pinnan viimeistelyn ja lämmönsiirron vaikutus
Pintakäsittelyllä on myös vaikutusta lämmönsiirtoon, mutta se on toissijaista pistesuojauksen kannalta. Karheamman pinnan todellinen pinta-ala on suurempi (yleensä 2-5 kertaa ennustettu pinta-ala Ra=1.5 µm), mikä teoriassa parantaa lämmönsiirtoa lisäämällä kosketuspinta-alaa rautakloridiliuoksen kanssa. Itse asiassa konvektiivisen rajakerroksen paksuus (yleensä 50–200 µm) on kuitenkin merkittävästi suurempi kuin karheusominaisuudet ja siksi lämmönsiirtokerroin on lähes riippumaton Ra:sta alle 5 µm:n arvoilla. Sähkökiillotus (Ra=0.1µm) pienentää todellista pinta-alaa ~5 % verrattuna mekaanisesti kiillotettuun pintaan, mikä johtaa minimaaliseen (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Synteesi vaihdosta-: Ra-arvo vs. Pitting-induktioaika
Pinnan viimeistely Ra-arvo (µm) Menetelmä E_kuoppa (V vs. Ag/AgCl) Induktioaika ensimmäiseen kuoppaan (tuntia, 42 astetta Bé FeCl3, 50 astetta) Suhteellinen kustannustekijä
As{0}}vedetty (myllyviimeistely) 1,2 – 1,8 Ei mitään +0.65 V 20 – 40 h 1,0× Peittaus (hapotettu kalkinpoisto) 0,8 – 1.2 10 % HNO₃ + 2 % HF kastettu +0.70 V 50 – 2 h 10.10.10. karkeus) 0,4 – 0,6 hihnan tai pyörän kiillotus +0.80 V 300 – 500 h 1,5×
Mekaaninen kiillotus (600 grit) 0,2 – 0,3 Hienohiontainen kiillotus+0.88 V 2,0 × 1,000 - 2 000 tuntia
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5 000 tuntia. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 kuukautta jatkuvaa käyttöä) kun{1}}vedetut pinnat kuoppaavat 1-2 päivässä. Parannus kasvaa eksponentiaalisesti, kun Ra pienenee.

Suunnittelu viimeistelyn jälkeen: passivointi ja jälki{0}}kiillotuskäsittely
Parhaan pistekuormituskestävyyden saavuttamiseksi sähkökiillotettua pintaa tulisi seurata typpihappopassivointivaiheessa (20 % HNO 3 50 asteessa 30 minuuttia). Tämä käsittely johtaa homogeeniseen, virheettömään-TiO2-kerrokseen, joka on paksumpi ja vakaampi kuin luonnollinen passiivinen kalvo. Käytössä rautakloridissa passivoitu sähkökiillotettu titaani ei osoita pistesyöpymiä 10 000 tunnin laboratoriotestauksen jälkeen. Jos sähkökiillotus on liian kallista sovellukseen, niin 600-karkeudella mekaaninen kiillotus (Ra ≈ 0,25 µm) ja passivointi antavat 1 000–2 000 tunnin induktioajan, joka soveltuu moniin eräetsaustoimenpiteisiin, joissa lämmitin poistetaan ja puhdistetaan erien välillä. Temppu on välttää pinnan epäpuhtauksia (rautahiukkasia, rasvaa tai upotettuja hioma-aineita), jotka voivat toimia pistesyöpymispaikoina.

Johtopäätös: Sähkökiillotettu (Ra pienempi tai yhtä suuri kuin 0,15 μm) tarjoaa pisimmän induktioajan
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 kuukautta. Mekaanisesti kiillotetut pinnat (Ra=0.2–0,6 µm) johtavat 300–2 000 tunnin väliinduktioaikoihin, jotka sopivat vähemmän vaativiin sovelluksiin. Sähkökiillotuksella ei ole tärkeää lämpövaikutusta. Määritä lämmittimet rautakloridi-etsaukseen, jossa on sähkökiillotettu pintakäsittely vahvistettu Ra Vähintään 0,15 μm ja passivointi 20-prosenttisessa typpihapossa kiillotuksen jälkeen. Mutta kohonneet viimeistelykustannukset kompensoivat pistesyöpymiseen liittyvien ongelmien välttäminen ja pidempi käyttöikä. Valitse sopiva pintakäsittely huoltovälien odotettavissa olevan jatkuvan käyttöajan perusteella. Kaikille yli 1 000 tuntia kestäville sovelluksille suositellaan sähkökiillotusta.