Ανταλλάξτε-με το φινίρισμα επιφανείας τιτανίου στην υπηρεσία χλωριούχου σιδήρου
Τα διαλύματα χάραξης με χλωριούχο σίδηρο (FeCl 3 ) είναι εξαιρετικά οξειδωτικά και επιθετικά διαβρωτικά για τα περισσότερα μέταλλα. Το τυπικό χλωριούχο σίδηρο είναι 42 βαθμοί Bé (περίπου 40% FeCl 3 ). Το τιτάνιο επιλέχθηκε λόγω του παθητικού στρώματος TiO2, το οποίο το καθιστά ανθεκτικό στο FeCl3. Ωστόσο, το pitting είναι η τοπική διάσπαση της παθητικής επίστρωσης, συνήθως σε επιφανειακά ελαττώματα, εγκλείσματα ή ρωγμές μικροκλίμακας. Το φινίρισμα της επιφάνειας, που μετράται με τη μέση τραχύτητα Ra, έχει άμεση επίδραση στην ποσότητα και το μέγεθος των πιθανών σημείων έναρξης διάτρησης. Μια πιο λεία επιφάνεια (χαμηλό Ra) αφαιρεί τις μικροσκοπικές ρωγμές και μειώνει τον αριθμό των θέσεων για τη συγκέντρωση ιόντων χλωρίου. Μια εξαιρετικά λεία επιφάνεια (Ra < 0,2 µm) απαιτεί ηλεκτροστίλβωση ή μηχανική στίλβωση και προσθέτει κόστος. Η τρέχουσα μελέτη προσδιόρισε τη συσχέτιση μεταξύ της τιμής Ra και του χρόνου επαγωγής σκασίματος σε 42 βαθμούς Bé FeCl3 στους 50 βαθμούς και καθόρισε το φινίρισμα της επιφάνειας που παρείχε τη μέγιστη διάρκεια πριν από την έναρξη του λάκκου.

Επιπτώσεις μηχανικής ακεραιότητας: Έναρξη διάτρησης και τραχύτητα επιφάνειας
Το άνοιγμα σε διάλυμα χλωριούχου σιδήρου σε τιτάνιο ξεκινά σε θέσεις όπου το παθητικό φιλμ είναι λεπτότερο ή όπου οι ρωγμές επιτρέπουν τη συσσώρευση χλωρίου. Σε μια τραχιά επιφάνεια (Ra > 1,0 μm), οι κοιλάδες είναι σαν μικρορωγμές. Αυτές οι κοιλότητες έχουν συνήθως πλάτος 5–20 µm και το βάθος είναι της ίδιας τάξης με την τιμή Ra. Σε αυτές τις κοιλάδες συσσωρεύονται ιόντα χλωρίου λόγω των περιορισμών διάχυσης και το τοπικό pH μειώνεται λόγω της υδρόλυσης των χλωριούχων μετάλλων που προκαλεί το σχηματισμό κοιλωμάτων. Σε λεία επιφάνεια (Ra < 0,4 µm) οι κοιλάδες είναι ρηχές (<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.

Θερμική απόδοση: Επίδραση φινιρίσματος επιφάνειας και μεταφορά θερμότητας
Το φινίρισμα της επιφάνειας έχει επίσης επίδραση στη μεταφορά θερμότητας, αλλά είναι δευτερεύον ως προς την αντίσταση στα σκασίματα. Η πραγματική επιφάνεια μιας πιο τραχιάς επιφάνειας είναι μεγαλύτερη (2 έως 5 φορές την προβαλλόμενη περιοχή για Ra=1.5 μm, γενικά) η οποία, θεωρητικά, ενισχύει τη μεταφορά θερμότητας αυξάνοντας την περιοχή επαφής με το διάλυμα χλωριούχου σιδήρου. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, το πάχος του μετααγωγικού οριακού στρώματος (συνήθως 50-200 μm) είναι σημαντικά μεγαλύτερο από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας και επομένως ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι σχεδόν ανεξάρτητος από το Ra για τιμές κάτω από 5 μm. Η ηλεκτροστίλβωση (Ra=0.1μm) μειώνει την πραγματική επιφάνεια κατά ~5% σε σχέση με μια μηχανικά γυαλισμένη επιφάνεια, με αποτέλεσμα μια ελάχιστη (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Σύνθεση της συναλλαγής-απενεργοποιημένη: Αξία Ra έναντι Χρόνου Επαγωγής Pitting
Τιμή φινιρίσματος επιφανείας Ra (μm) Μέθοδος E_pit (V vs. Ag/AgCl) Επαγωγή Χρόνος έως το πρώτο λάκκο (ώρες, 42 βαθμοί Bé FeCl3, 50 μοίρες ) Συντελεστής σχετικού κόστους
Όπως-τραβηγμένο (φινίρισμα μύλου) 1,2 – 1,8 Κανένα +0.65 V 20 – 40 ώρες 1,0× Τουρσί (αφαλατωμένο οξύ) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% βύθιση HF +0.70 V 50 ώρες – 100 γυαλισμένο σε μέτριο βαθμό 0,4 – 0,6 Γυάλισμα ζώνης ή τροχού +0.80 V 300 – 500 ώρες 1,5×
Μηχανική στίλβωση (600 grit) 0,2 – 0,3 Λειαντική στίλβωση+0.88 V 2,0× 1,000 - 2,000 ώρες
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5.000 ώρες. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 μήνες συνεχούς λειτουργίας) ενώ ως-τραβηγμένες επιφάνειες βυθίζονται εντός 1-2 ημερών. Η βελτίωση αυξάνεται εκθετικά καθώς το Ra μειώνεται.

Engineering After the Finish: Passivation and Post-Polishing Treatment
Για βέλτιστη αντίσταση στα σκασίματα, μια ηλεκτρογυαλισμένη επιφάνεια θα πρέπει να ακολουθείται από ένα βήμα παθητικοποίησης νιτρικού οξέος (20% HNO 3 στους 50 βαθμούς για 30 λεπτά). Αυτή η επεξεργασία οδηγεί σε ένα ομοιογενές στρώμα-ελεύθερο TiO2, το οποίο είναι παχύτερο και πιο σταθερό από το φυσικό παθητικό φιλμ. Παθητικοποιημένο ηλεκτρογυαλισμένο τιτάνιο σε λειτουργία σε χλωριούχο σίδηρο δεν εμφανίζει κοιλότητες μετά από 10.000 ώρες εργαστηριακών δοκιμών. Εάν η ηλεκτροστίλβωση είναι πολύ ακριβή για την εφαρμογή, τότε η μηχανική στίλβωση 600 grit (Ra ≈ 0,25 μm) και η παθητικοποίηση θα δώσουν χρόνο επαγωγής 1.000–2.000 ωρών, ο οποίος είναι κατάλληλος για πολλές διαδικασίες χάραξης κατά παρτίδες όπου ο θερμαντήρας αφαιρείται και καθαρίζεται μεταξύ των παρτίδων. Το κόλπο είναι να αποφύγετε τους επιφανειακούς ρύπους (σωματίδια σιδήρου, λίπος ή ενσωματωμένα λειαντικά) που μπορούν να χρησιμεύσουν ως θέσεις εκκίνησης οπών.

Συμπέρασμα: Ηλεκτροπολυμένο (Ra μικρότερο ή ίσο με 0,15 μm) Προσφέρει τον μεγαλύτερο χρόνο επαγωγής
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 μηνών. Οι μηχανικά γυαλισμένες επιφάνειες (Ra=0.2–0,6 μm) οδηγούν σε ενδιάμεσους χρόνους επαγωγής 300–2.000 ωρών, κατάλληλους για λιγότερο απαιτητικές εφαρμογές. Η ηλεκτροστίλβωση δεν έχει σημαντική θερμική ποινή. Καθορίστε θερμάστρες για χάραξη με χλωριούχο σίδηρο με ηλεκτροστιλβωμένη επιφάνεια επιφάνειας επαληθευμένο Ra Μικρότερο ή ίσο με 0,15 μm και παθητικοποίηση σε νιτρικό οξύ 20% μετά τη στίλβωση. Ωστόσο, το αυξημένο κόστος φινιρίσματος αντισταθμίζεται από την αποφυγή προβλημάτων που σχετίζονται με το άνοιγμα-και τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Επιλέξτε το κατάλληλο φινίρισμα επιφάνειας με βάση τον προβλεπόμενο χρόνο συνεχούς λειτουργίας μεταξύ των διαστημάτων συντήρησης. Για οποιαδήποτε εφαρμογή άνω των 1.000 ωρών, προτείνεται ηλεκτροστίλβωση.