I et kemisk ætsebad indeholdende flussyre og salpetersyre, hvilken titankvalitet (eller alternativt metal) bør erstatte klasse 2 for at overleve i mere end 48 timer?
Læg en besked
Kemiske ætsebade til titanium og rustfrit stål indeholder typisk en blanding af flussyre (HF) og salpetersyre (HNO₃). HF giver den aggressive opløsning af uædle metaller, mens HNO₃ fungerer som et oxidationsmiddel til at kontrollere reaktionshastigheder og forbedre overfladefinish. En almindelig formulering er 10% HF + 20% HNO₃ i vand, der opererer ved 25-40 grader. Grad 2 titanium, på trods af sin fremragende korrosionsbestandighed i mange miljøer, opløses hurtigt i HF-lejeløsninger. Fluorionerne komplekserer med titaniumioner og forhindrer passiv filmdannelse. I et typisk ætsebad mister grad 2 titanium 0,5-1,0 mm vægtykkelse i timen, hvilket fører til fuldstændig perforering af et standard 1,2 mm rør inden for 2-3 timer. For at overleve ud over 48 timers kumulativ eksponering skal der vælges et andet materiale-enten en specialiseret titanlegering eller et alternativt metal-.
Mekanisme for hurtig grad 2 titanangreb i HF/HNO₃-blandinger
I HF-holdige opløsninger opløses den passive TiO₂-film øjeblikkeligt: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Uden beskyttelsesfilm korroderer det underliggende titaniummetal aktivt. Salpetersyre i blandingen repassiverer ikke titanium, fordi fluoridioner kontinuerligt fjerner alt oxid, der dannes. Korrosionsreaktionen er ensartet og hurtig: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Hydrogenudviklingsreaktionen accelereres også af HF. Resultatet er en lineær materialetabshastighed uden inkubationstid. Grade 2, Grade 7 og Grade 12 titanium indeholder alle titanium som basismetal, så alle lider af lignende angrebshastigheder i HF/HNO₃-blandinger.
Udførelse af alternative titankvaliteter i HF/HNO₃
Kontrolleret nedsænkningstestning i 10 % HF + 20 % HNO₃ ved 30 grader har etableret følgende korrosionshastigheder:
Klasse 2 (kommercielt ren): Korrosionshastighed på 0,8 mm pr. time. 1.2 mm rør perforeret på 1,5 time. Ikke egnet ud over engangsvarmere til engangs-brug.
Karakter 7 (Ti-0,15Pd): Korrosionshastighed på 0,7 mm i timen. Palladium giver ingen fordel, fordi ædelmetalkatalyse kræver en intakt passiv film, som er fraværende. Svarende til klasse 2.
Klasse 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni): Korrosionshastighed på 0,6 mm i timen. Molybdæn- og nikkeltilsætninger giver marginal forbedring, men utilstrækkelig til 48-timers overlevelse.
Klasse 5 (Ti-6Al-4V): Korrosionshastighed på 0,5 mm i timen. Alfa-beta-mikrostrukturen opløses fortrinsvis ved betafasegrænser, hvilket fører til intergranulært angreb. Ikke anbefalet.
Alternativt metalvalg til HF/HNO₃-service
Følgende tabel giver en sammenligning af alternative metaller, der kan overleve 48 timer eller mere i HF/HNO₃ ætsebade:
| Metal eller legering | Korrosionshastighed i 10 % HF+20 % HNO₃ ved 30 grader (mm/år) | Tid til at trænge igennem 1,5 mm væg | Maksimal sikker drift HF% | Omkostningsindeks (karakter 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Tantal (ulegeret) | 0,05 mm/år | 30,000+ timer (3.4+ år) | Op til 60% HF | 15–20 |
| Zirkonium (R60702) | 0,08 mm/år | 18.750 timer (2,1 år) | Op til 50 % HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/år | 1,25 timer (75 minutter) | Ikke anbefalet | 3–4 |
| Højt-siliciumstøbejern (Duriron) | 0,3 mm/år | 5.000 timer (7 måneder) | Op til 15 % HF | 2–3 |
| PTFE (polymer, ikke metal) | 0,00 mm/år (kemisk inert) | Ubegrænset (grænser for mekanisk styrke) | Enhver | 1,5-2 (med metalstøtte) |
| Tantal-beklædt titanium | Samme som tantal (0,05 mm/år) | 30,000+ timer | Op til 60% HF | 10–12 |
Praktisk udvælgelsesvejledning til 48-timers overlevelseskrav
For et varmelegeme, der skal overleve 48 kumulative timers nedsænkning i et HF/HNO₃ ætsebad, skal materialet have en korrosionshastighed på under ca. 0,03 mm pr. time (0,03 mm/time × 48 timer=1.44 mm penetration). Kun tantal, zirconium og PTFE opfylder dette krav:
Tantal: Bedste overordnede korrosionsbestandighed. Danner en stabil Ta₂O₅-film, der modstår HF op til koncentrationer på 60 % under 50 grader. Maksimal driftstemperatur på 150 grader. Høje omkostninger, men tilbyder årtiers service. Svejsbar og stofbar.
Zirkonium: Fremragende alternativ med lavere omkostninger. Modstår HF ved at danne en ZrO₂-film, der er mere stabil end TiO₂ i fluormedier. Maksimal HF-koncentration på 50% ved 30 grader. Modtagelig for grubetæring, hvis salpetersyrekoncentrationen falder til under 10 %.
PTFE (polytetrafluorethylen): Kemisk inert over for HF/HNO₃-blandinger. Anvendes som en foring over et metalsubstrat (normalt kulstofstål eller titanium til strukturel støtte). Maksimal driftstemperatur på 200 grader. Termisk ledningsevne er meget lav (0,25 W/m·K vs . 21 W/m·K for titanium), så varmeapparater kræver meget større overfladeareal.
Udarbejdelse af en informeret specifikation
Når du specificerer et varmelegeme til et HF/HNO₃-ætsebad, der kræver overlevelse ud over 48 timer, skal du ikke vælge nogen titaniumkvalitet. Grad 2, Grade 7 og Grade 12 fejler alle inden for timer. For applikationer, hvor omkostningerne er sekundære, og pålideligheden er altafgørende, skal du specificere en solid tantal-dyppevarmer. For mere prisfølsomme applikationer skal du angive en zirkoniumvarmer med en vægtykkelse på minimum 2,0 mm. For den billigste løsning, der stadig opnår 48{{11}timers overlevelse, skal du angive en PTFE-kappet titaniumvarmer, hvor PTFE giver kemisk modstand (0,5-1,0 mm tykkelse), og titanium giver strukturel støtte. Anmod om korrosionstestcertifikater fra leverandøren i det specifikke HF/HNO₃-forhold og temperaturen for det påtænkte bad. Under drift skal du overvåge HF-koncentrationen dagligt; en stigning over 15 % HF øger korrosionshastigheden på zirconium med en faktor 10. Ved at vælge et alternativt metal i stedet for at forsøge at ændre titaniumkvaliteter, sikrer ingeniøren pålidelig varmelegemeydelse i et af de få miljøer, hvor titanium er fundamentalt uegnet.
