Hvilken titaniumoverfladefinish (syltet, poleret eller sandblæst) modstår bedst galvanisk angreb til forkromningstanke, der arbejder ved 60 grader med høj strømtæthed?

Forkromningsbeholderen giver et meget aggressivt elektrokemisk miljø til nedsænket varmeudstyr. Badet indeholder normalt 250-400 g/L chromsyre (CrO3) med et sulfatkatalysatorforhold på 100:1, kører ved 55-65 grader og udsættes for høje strømtætheder (20-60 A/dm²) under pletteringsprocesser. Titanium varmerør bruges ofte i denne tjeneste på grund af deres modstand mod den oxiderende kromsyre. En særlig fejltilstand, galvanisk angreb, kan dog opstå, når titaniumoverfladen udsættes for vildfarne strømme fra pletteringsensretteren, eller når den danner lokale elektrokemiske celler med andre metalliske komponenter. Galvanisk angreb på titaniumvarmere er særligt følsomt over for overfladefinishen, der bruges under fremstillingen, i modsætning til homogen korrosion eller grubetæring. Syltede, polerede og sandblæste finish giver ret forskellige overfladeoxidegenskaber, passiv filmstabilitet og elektrokemisk aktivitet i kromsyreopløsninger. Denne artikel analyserer galvanisk korrosionsbestandighed for hver titaniumoverfladebehandling under forkromningsforhold og bestemmer, hvilken finish der giver den længste levetid, når varmelegemer skal fungere med højdensitetspletteringsstrømme.

Galvanisk mekanisme i kromsyremedier
To mekanismer for galvanisk angreb af titanium-varmerør i forkromningstanke er beskrevet. Den første består af direkte elektrisk kontakt mellem titanium og et mere katodisk metal, sædvanligvis bly- eller bly--legeringsanoderne, der bruges til forkromning, eller tankvæggen i rustfrit stål. Når disse uens metaller kobles elektrisk af badets elektrolyt, bliver titan anoden og opløses med en accelereret hastighed. Den anden mekanisme er forårsaget af strejfstrømme fra pletteringsensretteren. Forkromning bruger emnekatoder og blyanoder. Enhver uisoleret ledende overflade i tanken kan opfange omstrejfende strøm, hvilket resulterer i enten anodisk opløsning (hvis den fungerer som en anode) eller brintudvikling og mulig skørhed (hvis den fungerer som en katode). ved kromsyre er titan ikke i samme position i den galvaniske serie som i neutrale eller reducerende medier. Titanium har en meget stabil passiv film og opfører sig som et ædelmetal (som platin i nogle elektrokemiske målinger) i oxiderende chromsyre (Cr6+-koncentration over 200 g/L, redoxpotentiale over +1.2 V vs. SHE). Dette er dog en ædel egenskab, der gør titanium katodisk for de fleste andre materialer, herunder bly, rustfrit stål og kulstofstål. Når det kommer i kontakt med disse metaller, er titanium beskyttet, og metalet i kontakt bliver korrosion - det modsatte af saltvand.

Problemet opstår for titaniumvarmere, når lokal variation i tykkelse eller sammensætning af overfladeoxidet skaber galvaniske celler mellem forskellige områder af det samme titaniumrør. For eksempel har den sandblæste overflade et ikke-ensartet mekanisk beskadiget oxidlag med områder af belastet metal og indlejrede slibende partikler. I stedet repræsenterer en glat, kemisk ensartet TiO2-plade en poleret overflade. Ved tilstedeværelse af herreløse strømme eller lokaliserede potentialegradienter kan de mindre beskyttede områder af en inhomogen overflade fortrinsvis korrodere. Bulk titanium er fuldstændig passivt, men denne selv-galvaniske korrosion kan perforere en varmevæg i forkromningsservice i løbet af få måneder.

Oxidstabilitet og overfladefinishkarakteristika
Syltede titaniumoverflader opnås ved nedsænkning i en blandet syreopløsning, typisk 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF ved 30-50 grader i 2-10 min. Bejdsning fjerner alpha-case-laget (iltforurenet overfladelag dannet under varmbearbejdning eller udglødning) og resulterer i en ensartet ætset matgrå overflade med kontrolleret ruhed (Ra 0,8-1,6 µm). En korrekt syltet titaniumoverflade har en tynd (5-10 nm) oxidbelægning, som er støkiometrisk TiO2 og fri for indlejrede urenheder. De bejdsede overflader har et konstant åbent kredsløbspotentiale på +0.8 til +1.1 V vs. SCE og en passiv strømtæthed på<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Polerede titaniumoverflader slibes mekanisk med gradvist finere slibemidler til en spejlfinish (Ra 0,1-0,4 µm). Polering giver en meget glat overflade med et tæt og fejlfrit oxidlag. Imidlertid kan mekanisk polering inducere resterende trykspændinger og kan indlejre sub-mikron slibende partikler (aluminiumoxid eller siliciumcarbid) i overfladen. Poleret titanium i kromsyre udviser de mest ædle åbne-kredsløbspotentialer (+1.0 til +1.2 V vs. SCE) og de laveste passive strømtætheder (under 0,005 mA/cm²). Poleret titanium er meget ædel, derfor er det en fremragende katode, når det kobles til andre metaller. Overfladehomogeniteten af ​​det polerede rør betyder dog, at selv-galvanisk korrosion mellem forskellige dele af røret er lav.

Sandblæste titaniumoverflader dannes ved at støde (aluminiumoxid, siliciumcarbid eller glasperler) slibende medium med høj hastighed. Sandblæsning resulterer i en ru og arbejds-hærdet overflade (Ra 2,0-5,0 µm) med indlejrede slibende fragmenter, afrevne metaloverflader og et stærkt deformeret oxidlag. Oxidet på sandblæst titanium er ikke en kontinuerlig passiv film, men en blanding af TiO_2, suboxider (TiO, Ti_2O_3) og blottet titanium i bunden af ​​nedslagskratere. Åbne kredsløbspotentialer for sandblæste overflader i kromsyre varierer meget (-0,2 til +0.6 V vs. SCE) afhængigt af graden af ​​deformation og mediet, der er fanget i overfladen. Den passive strømtæthed er ofte 10 til 100 gange større end på bejdsede eller polerede overflader, hvilket indikerer, at aktiv opløsning finder sted på steder, hvor oxidfilmen ikke er fuldstændig.

Målinger af galvanisk strømtæthed
Zero-resistance amperemeter (ZRA) kontrolleret elektrokemisk testning muliggør kvantitativ sammenligning af galvaniske tendenser mellem forskellige overfladefinisher og mod andre metaller. De galvaniske strømme blev målt mellem titaniumprøver (10 cm² areal) og andre almindelige tankmaterialer under omstændighederne med forkromningsbad (250 g/L CrO3, 2,5 g/L H2SO4, 60 grader):

Syltet titanium koblet til blyanoder (den mest almindelige ulige metalkontakt i kromtanke) udviser en galvanisk strømtæthed på 0,02 mA/cm² på titaniumoverfladen - ubetydelig og usandsynligt at inducere mærkbart titaniumtab over en femårig periode. Poleret titanium ført til bly giver 0,01 mA/cm2, også lidt. Sandblæst titanium knyttet til bly, hvor titanium er anoden, er 0,25 mA/cm2. Strømtætheden svarer til en titaniumopløsningshastighed på omkring 0,15 mm om året, hvilket er nok til at fortynde en 1,65 mm rørvæg til perforering på 5-7 år.

Galvanisk strøm på 0,03 mA/cm2 måles, når bejdset titanium forbindes til rustfri ståltankvægge (type 316L). Titanium er let katodisk (beskyttet) og rustfrit stål anodisk. Poleret titanium gav 0,02 mA/cm2. Et sandblæst titanium giver 0,08 mA/cm2, hvor titanium er en anode på lokale aktive steder, og der forekommer angreb af pitting-type.

Den mest alvorlige galvaniske tilstand for titaniumvarmere er forårsaget af omstrejfende ensretterstrømme. Ved et uheld forårsager en hjælpekatode af varmelegemet (f.eks. en jordbane, som fuldender et kredsløb til ensretterens negative terminal) brintudvikling på titaniumoverfladen. Hydrogenudvikling på det syltede titanium starter ved ca. -0,6 V vs SCE og er stærk ved potentialer under -0,8 V. Absorberet brint forårsager skørhed, men ikke øjeblikkelig væggennemtrængning. Hydrogenudvikling begynder ved færre negative potentialer (-0,4 V vs. SCE) for sandblæst titanium og ledsages af afskalning af det deformerede overfladelag, hvilket blotlægger frisk titanium, der absorberer brint hurtigt. Ved katodepolariseret{11}} dannes hydridlagene i løbet af 100 timer på sandblæste overflader, hvorefter de revner og sprækker.

Forkromet varmelegemer Overfladefinish Selection Matrix
Følgende tabel er en komplet valgvejledning baseret på tankkonfiguration, ensretterjordingsmetode og forventet levetid for varmelegemet.

Tankkonfiguration og driftstilstand Anbefalet Titanium overfladefinish Vægtykkelse (mm) Begrundelse & forventet levetid
Isoleret varmelegemeinstallation Separat jord til ensretter Ingen direkte elektrisk forbindelse til anoder/katoderSyltet (Normal) 1,2-1,65 mmSyltet overflade giver stabil passiv film med lille selvgalvanisk aktivitet. Levetiden er typisk 5-8 år.
Varmelegeme flanget til rustfri ståltank, fælles jord med pletteringsensretteren.1,5-1,65 mm poleret Glat overflade reducerer galvanisk kobling til rustfrit stål; Større adel reducerer omstrejfende strømafhentning. 6-10 års levetid.
Varmelegeme på samme samleskinne som blyanoder (forbundet elektrisk) Poleret 1,65-2,0 mm Poleret overflade er en ædel katode, der beskytter varmelegemet på bekostning af anodens levetid; velegnet, hvis der forudses anodeforbrug.
Dårlig strøgstrømkontroltank Hyppig kontakt mellem varmelegeme og arbejdsemnerSyltet + elektrisk isolering (PTFE-bøsninger) 1,65 mm Overfladefinish mindre nødvendig med korrekt isolering; syltet er økonomisk; udskift, hvis ridser afslører bart metal.
Tank med høj omrøring med slibende kromsyretåge (partikelerosionspotentiale) Sandblæst (bevidst) 2,0 mm eller mere Accepter en reduceret galvanisk levetid (3-5 år) for belægningsvedhæftning. Sandblæsning er kun berettiget til mekanisk greb på belægninger.
Tankeftermontering med ukendte jordingsforhold Poleret 1,65 mm poleret overflade giver størst margin mod galvanisk angreb fra ukendte herreløse strømme. Tjek efter seks måneder.
Praktiske konsekvenser for varmelegemespecifikation
Overfladekvaliteten af ​​en titanium elpatron er ikke kun en æstetisk betragtning, men en galvanisk kompatibilitetsfaktor med miljøet i forkromningsbeholderen. Syltede overfladebehandlinger, der er almindelige i industrien for de fleste titaniumkomponenter, er tilstrækkelige til varmeanlæg, der er korrekt jordede og elektrisk adskilte, og hvor den eneste galvaniske forbindelse er gennem passiv kontakt med badet. Men for varmelegemer jordet med belagte ensrettere, til montering af flanger i kontakt med rustfri ståltankvægge, eller når der frygtes strøstrømme, giver en poleret finish en målbar forbedring i galvanisk modstand. Den højere adel og den tilsyneladende ensartethed af poleret titanium reducerer drivkraften for galvanisk kobling og antallet af aktive steder for lokaliseret angreb.

Undgå sandblæste overfladebehandlinger til forkromningsservice, medmindre det er specifikt påkrævet for belægningsvedhæftning (f.eks. PTFE-belægninger for at reducere chromsyre-modtræk -ud). Den mekaniske beskadigelse og fastklemte slibemidler resulterer i en ikke-ensartet, elektrokemisk aktiv overflade, der understøtter galvaniske strømme 5-20 gange højere end bejdsede eller polerede overflader. Varmere af sandblæst titanium i krombade har svigtet ved galvanisk perforering på så lidt som 18 måneder, sammenlignet med 7-10 år for polerede varmelegemer i samme tjeneste.

Konklusion for Chrome Plating Engineers
I tilfælde af bestilling af titanium varmerør til forkromningstanke, der arbejder ved 60 grader og høj strømtæthed, når elektrisk isolation fra pletteringskredsløbet muligvis ikke er sikret, er den bedste overfladekvalitet at specificere poleret (spejlfinish, Ra mindre end eller lig med 0,4 µm). De mest ædle åbne kredsløbspotentialer af polerede overflader, de laveste passive strømme og den bedste modstand mod desintegration forårsaget af herreløse strømme findes. Den bejdsede finish (Ra 0,8-1,6 µm) giver en ensartet levetid til reducerede omkostninger for fuldt isolerede varmesystemer med dedikerede jordruter og ingen kontakt med anoder eller tankvægge. Sandblæst finish anbefales ikke til nogen forkromningsapplikationer på grund af deres høje galvaniske aktivitet og hurtige fejlfrekvenser. Standard kommercielle titanium varmelegemer leveres typisk med en variabel finish (mølleudglødet eller som trukket), som muligvis ikke er tilstrækkelige til forkromningsservice. Ingeniører bør fremhæve overfladefinishen specifikt i indkøbsdokumenter. En poleret overfladespecifikation tilføjer 10-15% til varmeovnens omkostninger, men giver en 50-100% forlængelse af levetiden. Dette er et af de mest gunstige investeringsafkast, der er muligt i valg af krombadeudstyr.