Πώς η ανάδευση με υπερήχους σε δεξαμενές επιμετάλλωσης επιταχύνει ή μειώνει τον ρυθμό διάβρωσης των θερμαντήρων βύθισης τιτανίου 12 βαθμού;

Η ανάδευση με υπερήχους χρησιμοποιείται συνήθως σε δεξαμενές επιμετάλλωσης και φινιρίσματος μετάλλων για τη βελτίωση της μεταφοράς μάζας, την αύξηση της ισχύος ρίψης και την προώθηση της ομοιόμορφης εναπόθεσης. Οι συχνότητες είναι συνήθως στην περιοχή 20-80 kHz. Οι πυκνότητες ισχύος είναι 1-5 W/L. Αυτές οι δεξαμενές χρησιμοποιούν συχνά θερμαντήρες εμβάπτισης από τιτάνιο βαθμού 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) λόγω της ανθεκτικότητάς τους στις σκληρές χημικές επιμετάλλωση. Αλλά η εφαρμογή της ενέργειας υπερήχων αλλάζει θεμελιωδώς τη συμπεριφορά διάβρωσης του τιτανίου. Οι συνέπειες είναι διπλές: οι υπερήχοι μπορούν να επιταχύνουν τη διάβρωση σε ορισμένες ρυθμίσεις εξαλείφοντας τις παθητικές επικαλύψεις και προκαλώντας ζημιά λόγω σπηλαίωσης. Σε άλλα μπορεί να αποτρέψουν τη διάβρωση με την απαέρωση της επιφάνειας ή τη διάσπαση των επιθετικών οριακών στρωμάτων. Αυτό το άρθρο αξιολογεί την καθαρή επίδραση της ανάδευσης με υπερήχους στο τιτάνιο βαθμού 12 σε τυπικά διαλύματα ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, συμπεριλαμβανομένων των λουτρών όξινου θειικού χαλκού, σουλφαμικού νικελίου και αλκαλικού κυανίου, και προσδιορίζει εάν οι υπερήχοι παρουσιάζουν καθαρό κίνδυνο ή όφελος για τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα.

Μηχανισμοί Υπερηχητικής Δράσης στη Διάβρωση
Οι κύριες επιπτώσεις των κυμάτων υπερήχων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τη διάβρωση του τιτανίου σε υγρά μέσα είναι τρεις. Η σπηλαίωση είναι η παραγωγή και η απότομη κατάρρευση μικρών φυσαλίδων αερίου κοντά στην επιφάνεια του τιτανίου. Η κατάρρευση της φυσαλίδας έχει ως αποτέλεσμα εντοπισμένες πιέσεις χιλιάδων ατμοσφαιρών και μικρο-πίδακες που μπορούν να καταστρέψουν μηχανικά το παθητικό φιλμ. Η κίνηση του υγρού υψηλής ταχύτητας (1-10 m/s) στην επιφάνεια του τιτανίου προκαλείται από την ακουστική ροή που ενισχύει τη μεταφορά μάζας ειδών προς και από τη διεπαφή. Η απαέρωση αφαιρεί τα διαλυμένα αέρια από το οριακό στρώμα (συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου) και μπορεί να αλλάξει το ηλεκτροχημικό περιβάλλον.

Η σπηλαίωση είναι το κύριο αποτέλεσμα για το τιτάνιο βαθμού 12, που βασίζεται στο σταθερό παθητικό φιλμ TiO2 για αντοχή στη διάβρωση. Η επαναλαμβανόμενη κατάρρευση φυσαλίδων μπορεί να αφαιρέσει φυσικά την παθητική μεμβράνη και να εκθέσει γυμνό τιτάνιο στο διάλυμα επιμετάλλωσης. Ο ρυθμός επαναπαθητοποίησης του Βαθμού 12 είναι σχετικά γρήγορος (χιλιοστά του δευτερολέπτου), ωστόσο εάν η ένταση της σπηλαίωσης υπερβαίνει τον ρυθμό επαναπαθητοποίησης, εμφανίζεται καθαρή απώλεια μετάλλου. Η ακουστική ροή μπορεί είτε να ενισχύσει τη διάβρωση (παρέχοντας φρέσκα επιθετικά είδη στην επιφάνεια) είτε να μειώσει τη διάβρωση (αφαιρώντας τα στάσιμα, τοπικά οξινισμένα στρώματα που προάγουν τη δημιουργία κοιλοτήτων).

Υπερηχητική μέτρηση ρυθμών διάβρωσης
Τα ποσοτικά αποτελέσματα ελήφθησαν μέσω ελεγχόμενης δοκιμής χρησιμοποιώντας κουπόνια τιτανίου Βαθμού 12 (πάχος 1,65 mm, γυαλισμένη επιφάνεια) σε τρία τυπικά λουτρά ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης στους 55 C, με και χωρίς ανάδευση υπερήχων (40 kHz, 2 W/L). Η διάρκεια έκθεσης ήταν 500 ώρες και η απώλεια βάρους μετρήθηκε κάθε 100 ώρες.

Βαθμός 12 χωρίς υπερήχους 0,01-0,03 mm ανά έτος-αμελητέο Σε λουτρό όξινου θειικού χαλκού (50 g/L CuSO 4 5H 2 O, 50 g/LH 2 SO 4, pH0,5) Ο ρυθμός με υπερήχους αυξάνεται σε 0,05 mm/έτος. Το μεγαλύτερο ποσοστό αποδίδεται στην αφαίρεση σπηλαίωσης του παθητικού φιλμ στο εχθρικό περιβάλλον χαμηλού pH. Η επιφάνεια που εκτίθεται με υπερήχους για 500 ώρες είναι ματ και χαραγμένη σε σύγκριση με τη γυαλιστερή παθητική επιφάνεια του ελέγχου. Δεν ανιχνεύεται λάκκους, η επίθεση είναι ομοιόμορφη.

Η διάβρωση βαθμού 12 χωρίς υπερήχους σε λουτρό σουλφαμικού νικελίου (Ni(SO 3 NH 2 ) 2 , 400 g/L, H 3 BO 3 , 30 g/L, pH 4,0) είναι 0,02-0,04 mm/έτος. Με τους υπερήχους αυξάνεται ελαφρώς σε 0,05-0,09 mm /έτος. Σε χαμηλότερο pH, η βλάβη από τη σπηλαίωση είναι μικρότερη επειδή το παθητικό φιλμ αποκαθίσταται πιο γρήγορα σε ουδέτερα διαλύματα.

Βαθμού 12 χωρίς υπερήχους διαβρώνονται λιγότερο από 0,01 mm/έτος - καλή Σε λουτρό αλκαλικού κυανίου χαλκού (40 g/L CuCN, 30 g/L NaCN, 15 g/L NaOH, pH 12) Με τους υπερήχους ο ρυθμός διάβρωσης αυξάνεται στα 0,02-0,05 mm ανά έτος. Είναι ενδιαφέρον ότι οι υπερήχοι αναστέλλουν επίσης την παραγωγή ενός μαύρου εναποθέματος χαλκού, που μερικές φορές εμφανίζεται στο τιτάνιο σε λουτρά κυανίου. Η σπηλαίωση εξαλείφει τις χαλαρά προσκολλημένες επικαλύψεις.

Ο ρυθμός διάβρωσης με υπερήχους και στα τρία λουτρά ήταν μικρότερος από 0,15 mm ετησίως που μεταφράζεται σε διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 10 χρόνια για τοίχο 1,65 mm. Η επιτάχυνση είναι μετρήσιμη αλλά όχι αρκετά σημαντική για να προκαλέσει πρόωρη αστοχία στις περισσότερες εφαρμογές ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.

Επίδραση σε άλλες ποιότητες τιτανίου – Συγκριτική
Τύπος βαθμού μπάνιου Ρυθμός διάβρωσης τιτανίου (mm/έτος) Χωρίς υπερήχους Ρυθμός διάβρωσης υπερήχων (40 kHz, 2 W/L) Ρυθμός επιτάχυνσης
Βαθμός 2 όξινος χαλκός 0.05-0.10 0.25-0.45 4-5x Βαθμός 2ος σουλφαμικό νικέλιο 0.03-0.06 0.12-0.20 3-4x όξινος χαλκός βαθμού 7 0.01-0.02 0.06-0.10 4-6x όξινος χαλκός βαθμού 12 0.01-0.03 0.08-0.15 3-5x
Βαθμού 12 σουλφαμικό νικέλιο 0.02-0.04 0.05-0.09 2-3x Αλκαλικό κυάνιο βαθμού 12<0.01 0.02-0.05 3-5x
Ο βαθμός 12 έχει χαμηλότερο συντελεστή επιτάχυνσης από τον βαθμό 2 σε όλα τα λουτρά, καθώς το κράμα μολυβδαινίου-νικελίου του σχηματίζει ένα ισχυρότερο παθητικό φιλμ που μπορεί να αντισταθεί καλύτερα στη σπηλαίωση. Ο βαθμός 7 είχε παρόμοια επιτάχυνση με τον βαθμό 12, αν και σε χαμηλότερο απόλυτο ρυθμό.

Όταν ο υπέρηχος κόβει τη διάβρωση
Οι υπερήχοι μπορούν να επιβραδύνουν τη διάβρωση του τιτανίου σε ορισμένα περιβάλλοντα. Σε διαλύματα στάσιμης ή χαμηλής- ροής όπου η δημιουργία κοιλοτήτων διευκολύνεται από τοπική οξίνιση ή συγκέντρωση χλωρίου, η ακουστική ροή διαταράσσει το οριακό στρώμα και αποφεύγει τη συσσώρευση επιθετικών ειδών. Δοκιμές σε 10% FeCl3 στους 50 βαθμούς, ένα ισχυρό περιβάλλον διάτρησης, έδειξε ότι ο Βαθμός 12 χωρίς υπερήχους θα κάνει κοιλότητες μέσα σε 100-200 ώρες. Με υπερήχους (40 kHz, 2 W/L) η διάτρηση αναβάλλεται σε 500+ ώρες και ο ρυθμός διάβρωσης είναι σταθερός. Ο μηχανισμός είναι η απομάκρυνση των ιόντων χλωρίου που συγκεντρώνονται στις θέσεις έναρξης του λάκκου.

Οι υπερήχοι μπορούν επίσης να ελαχιστοποιήσουν τη διάβρωση σε συνθήκες υψηλού-χλωρίου και χαμηλού-οξυγόνου (π.χ. βαθιές ρωγμές) με απαέρωση και οξυγόνωση της επιφάνειας του τιτανίου, η οποία προάγει την παθητικοποίηση. Αυτή η πρόσκρουση είναι λιγότερο σημαντική για τους θερμαντήρες εμβάπτισης από τα στατικά μέρη.

Πίνακας 1. Πίνακας εφαρμογής των λουτρών επιμετάλλωσης με υπερήχους
Θερμοκρασία pH μπάνιου επιμετάλλωσης Συνιστώμενη θερμοκρασία βαθμού τιτανίου Επίδραση των υπερήχων στο ποσοστό διάβρωσης Καλό για διάρκεια ζωής του θερμαντήρα (5+ έτη με πάχος τοιχώματος 1,65 mm)
Όξινος θειικός χαλκός 0.5-1.0 50-60 Γ Βαθμός 12 ή Βαθμός 7 3-5x επιτάχυνση, αλλά τελικός ρυθμός<0.15 mm/yearYes, 12th grade
Σουλφαμικό νικέλιο 3.5-4.5 50-60 βαθμός Βαθμός 12 2-3x επιτάχυνση,<0.10 mm/year Yes
Αλκαλικό κυανιούχο χαλκό 11-13 50-70 βαθμού Βαθμού 12 ή Βαθμού 2 3-5x ταχύτητα,<0.05 mm/year Yes
Όξινος χλωριούχος ψευδάργυρος 40-50 μοίρες 4,0-5,5 βαθμού 12 2-4 φορές ταχύτερη, ταχύτητα<0.12 mm/year Yes
Ανοδίωση χρωμικού οξέος<1.0 40-50°C Grade 7 only High acceleration probable; test recommended Grade 7 with monitoring
Χαρακτική με χλωριούχο σίδηρο 0.5-1.0 45-55 βαθμός Βαθμός 12 4-6x επιτάχυνση, πάνω από 0,3 mm/έτος Οριακό. εξετάστε τη μείωση της ισχύος υπερήχων
Πρακτικός οδηγός προδιαγραφών θερμαντήρα
Η ανάδευση με υπερήχους (40 kHz, τυπικά 2 W/L) σε δεξαμενές ηλεκτροαπόθεσης μπορεί να επιτρέψει τη χρήση θερμαντικών στοιχείων εμβάπτισης τιτανίου βαθμού 12 για τις περισσότερες χημικές ουσίες μπάνιου, όπου οι ρυθμοί διάβρωσης επιταχύνονται κατά 2-5 αλλά παραμένουν κάτω από 0,15 mm ετησίως στα κοινά λουτρά. Ένας επιτοίχιος σωλήνας 1,65 mm θα διαρκέσει 10+ χρόνια @ 0,15 mm ανά έτος χρήσης (1,65 mm /,15 mm ανά έτος=11 χρόνια). Οι ακόλουθες πρακτικές μεγιστοποιούν τη ζωή:

Βαθμός 12 έναντι Βαθμού 2 για κάθε δεξαμενή που περιέχει υπερήχους, καθώς ο βαθμός 12 έχει χαμηλότερο συντελεστή επιτάχυνσης.

Αποξίδωση ή ηλεκτροστίλβωση επιφανειών για μείωση των σημείων πυρήνωσης σπηλαίωσης (Ra<0.4 µm). Rough surfaces accelerate the attack.

Κρατήστε τους θερμαντήρες μακριά από την άμεση οπτική γωνία του μορφοτροπέα υπερήχων και σε περιοχές χαμηλότερης έντασης της δεξαμενής.

Μειώστε την πυκνότητα ισχύος υπερήχων όπου είναι δυνατόν - πολλές εργασίες επιμετάλλωσης μπορούν να λειτουργήσουν με 1 W/L αντί για 2-3 W/L χωρίς σημαντική απώλεια αποτελεσματικότητας.

Για επιθετικά λουτρά (όξινος χαλκός με υπερήχους) προσθέστε περιθώριο αυξάνοντας το πάχος του τοιχώματος στα 2,0 mm.

Η ανάδευση με υπερήχους σε δεξαμενές ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης αυξάνει τον ρυθμό διάβρωσης των θερμαντήρων τιτανίου βαθμού 12 κατά 2-5 φορές από αυτόν των ακίνητων συνθηκών, ενώ οι απόλυτοι ρυθμοί εξακολουθούν να είναι κάτω από 0,15 mm ετησίως στα περισσότερα συνηθισμένα λουτρά. Αυτό μεταφράζεται σε διάρκεια ζωής σωλήνα 10+ ετών με κανονικό πάχος τοιχώματος 1,65 mm. Ο βαθμός 12 ευνοήθηκε έναντι του βαθμού 2 λόγω μειωμένου συντελεστή επιτάχυνσης και ισχυρότερου παθητικού φιλμ. Πριν από την τελική προδιαγραφή, συνιστάται δοκιμή με τη συγκεκριμένη χημεία μπάνιου και συνθήκες υπερήχων για επιθετικά λουτρά όπως ο χλωριούχος σίδηρος ή το χρωμικό οξύ υψηλής θερμοκρασίας. Σε κάθε περίπτωση, η ζωή παρατείνεται ακόμη περισσότερο με την τοποθέτηση των θερμαντήρων σε περιοχές χαμηλότερης έντασης και με τη χρήση γυαλισμένων επιφανειών. Κατά την παραγγελία, υποδείξτε ότι ο θερμαντήρας θα χρησιμοποιηθεί σε δεξαμενή που αναδεύεται με υπερήχους και προσδιορίστε τον βαθμό 12 με φινίρισμα τουρσί ή ηλεκτρογυαλισμένο. Με αυτά τα μέτρα, η ανάδευση με υπερήχους δεν βλάπτει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα τιτανίου σε εφαρμογές ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.