V chemickom leptacom kúpeli obsahujúcom kyselinu fluorovodíkovú a dusičnú, ktorý titán (alebo alternatívny kov) by mal nahradiť stupeň 2, aby prežil viac ako 48 hodín?
Zanechajte správu
Chemické leptacie kúpele pre titán a nehrdzavejúcu oceľ zvyčajne obsahujú zmes kyseliny fluorovodíkovej (HF) a kyseliny dusičnej (HNO3). HF poskytuje agresívne rozpúšťanie základných kovov, zatiaľ čo HNO3 pôsobí ako oxidačné činidlo na riadenie rýchlosti reakcie a zlepšenie povrchovej úpravy. Bežná formulácia je 10 % HF + 20 % HNO₃ vo vode, fungujúca pri 25–40 stupňoch. Titán 2. stupňa sa napriek svojej vynikajúcej odolnosti proti korózii v mnohých prostrediach rýchlo rozpúšťa v ložiskových roztokoch HF-. Fluoridový ión tvorí komplexy s titánovými iónmi a zabraňuje tvorbe pasívneho filmu. V typickom leptacom kúpeli stráca titán 2. stupňa za hodinu 0,5 – 1,0 mm hrúbky steny, čo vedie k úplnej perforácii štandardnej 1,2 mm trubice v priebehu 2 – 3 hodín. Ak chcete prežiť viac ako 48 hodín kumulatívnej expozície, musíte vybrať iný materiál-buď špecializovanú zliatinu titánu alebo alternatívny kov-.
Mechanizmus rýchleho titánového útoku 2. stupňa v zmesiach HF/HNO₃
V roztokoch obsahujúcich HF- sa pasívny film TiO₂ rozpúšťa okamžite: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Bez ochranného filmu podkladový titánový kov aktívne koroduje. Kyselina dusičná v zmesi nespôsobuje repasiváciu titánu, pretože fluoridové ióny nepretržite odstraňujú akýkoľvek vytvorený oxid. Korózna reakcia je rovnomerná a rýchla: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Reakcia vývoja vodíka je tiež urýchlená HF. Výsledkom je lineárna miera straty materiálu bez inkubačnej doby. Titán 2., 7. a 12. stupňa všetky obsahujú titán ako základný kov, takže všetky trpia podobnou mierou napadnutia v zmesiach HF/HNO3.
Výkon alternatívnych titánových tried v HF/HNO₃
Kontrolované ponorné testovanie v 10 % HF + 20 % HNO₃ pri 30 stupňoch stanovilo nasledujúce rýchlosti korózie:
Stupeň 2 (komerčne čistý): Rýchlosť korózie 0,8 mm za hodinu. 1.2 mm rúrka perforovaná za 1,5 hodiny. Nevhodné na iné-použitie na jednorazové ohrievače.
Stupeň 7 (Ti-0,15Pd): Rýchlosť korózie 0,7 mm za hodinu. Paládium neposkytuje žiadnu výhodu, pretože katalýza ušľachtilých kovov vyžaduje neporušený pasívny film, ktorý chýba. Podobne ako 2. stupeň.
Stupeň 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Rýchlosť korózie 0,6 mm za hodinu. Prídavky molybdénu a niklu ponúkajú okrajové zlepšenie, ale nepostačujú na 48-hodinové prežitie.
Stupeň 5 (Ti-6Al-4V): Rýchlosť korózie 0,5 mm za hodinu. Alfa-beta mikroštruktúra sa rozpúšťa prednostne na hraniciach beta fázy, čo vedie k intergranulárnemu napadnutiu. Neodporúča sa.
Alternatívny výber kovu pre službu HF/HNO₃
Nasledujúca tabuľka poskytuje porovnanie alternatívnych kovov, ktoré môžu prežiť 48 hodín alebo viac v HF/HNO₃ leptacích kúpeľoch:
| Kov alebo zliatina | Miera korózie v 10 % HF +20 % HNO₃ pri 30 stupňoch (mm/rok) | Čas na penetráciu 1,5 mm steny | Maximálne bezpečné prevádzkové HF % | Index nákladov (stupeň 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Tantal (nelegovaný) | 0,05 mm/rok | 30,000+ hodín (3.4+ rokov) | Až 60% HF | 15–20 |
| Zirkónium (R60702) | 0,08 mm/rok | 18 750 hodín (2,1 roka) | Až 50 % HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/rok | 1,25 hodiny (75 minút) | Neodporúča sa | 3–4 |
| Vysoko{0}}kremíková liatina (Duriron) | 0,3 mm/rok | 5 000 hodín (7 mesiacov) | Až 15 % HF | 2–3 |
| PTFE (polymér, nie kov) | 0,00 mm/rok (chemicky inertný) | Neobmedzené (limity mechanickej pevnosti) | Akékoľvek | 1,5–2 (s kovovou podperou) |
| Tantalom-plátovaný titán | Rovnako ako tantal (0,05 mm/rok) | 30,000+ hodín | Až 60% HF | 10–12 |
Praktický sprievodca výberom požiadavky na 48-hodinové prežitie
Pre ohrievač, ktorý musí prežiť 48 kumulatívnych hodín ponorenia do HF/HNO₃ leptacieho kúpeľa, musí mať materiál rýchlosť korózie pod približne 0,03 mm za hodinu (0,03 mm/h × 48 h=1.44 mm prienik). Túto požiadavku spĺňajú iba tantal, zirkónium a PTFE:
Tantal: Najlepšia celková odolnosť proti korózii. Vytvára stabilný film Ta₂O₅, ktorý odoláva HF až do koncentrácií 60 % pod 50 stupňov. Maximálna prevádzková teplota 150 stupňov. Vysoká cena, ale ponúka desaťročia služby. Zvárateľné a spracovateľné.
Zirkónium: Výborná alternatíva s nižšími nákladmi. Odoláva HF vytváraním filmu ZrO₂, ktorý je stabilnejší ako TiO₂ vo fluoridových médiách. Maximálna koncentrácia HF 50% pri 30 stupňoch. Náchylné na tvorbu jamiek, ak koncentrácia kyseliny dusičnej klesne pod 10 %.
PTFE (polytetrafluóretylén): Chemicky inertný voči zmesiam HF/HNO₃. Používa sa ako vložka na kovový podklad (zvyčajne uhlíková oceľ alebo titán na nosnú konštrukciu). Maximálna prevádzková teplota 200 stupňov. Tepelná vodivosť je veľmi nízka (0,25 W/m·K oproti . 21 W/m·K pre titán), takže ohrievače vyžadujú oveľa väčšiu plochu.
Vypracovanie informovanej špecifikácie
Pri špecifikácii ohrievača pre HF/HNO₃ leptací kúpeľ, ktorý si vyžaduje prežitie dlhšie ako 48 hodín, nevyberajte žiadnu kvalitu titánu. Stupeň 2, stupeň 7 a stupeň 12 zlyhajú v priebehu niekoľkých hodín. Pre aplikácie, kde sú náklady na druhom mieste a spoľahlivosť je prvoradá, špecifikujte pevný tantalový ponorný ohrievač. Pre aplikácie citlivejšie na náklady- špecifikujte zirkónový ohrievač s hrúbkou steny minimálne 2,0 mm. Pre najlacnejšiu možnosť, ktorá stále dosahuje 48{11}}hodinové prežitie, špecifikujte titánový ohrievač s plášťom z PTFE, kde PTFE poskytuje chemickú odolnosť (hrúbka 0,5 – 1,0 mm) a titán poskytuje štrukturálnu podporu. Vyžiadajte si od dodávateľa certifikáty koróznej skúšky v špecifickom pomere HF/HNO₃ a teplote zamýšľaného kúpeľa. Počas prevádzky monitorujte koncentráciu HF denne; Nárast nad 15 % HF zvyšuje rýchlosť korózie na zirkóniu 10-násobne. Výberom alternatívneho kovu namiesto pokusu o úpravu akosti titánu inžinier zaisťuje spoľahlivý výkon ohrievača v jednom z mála prostredí, kde je titán zásadne nevhodný.
