Vymeňte-za povrchovú úpravu titánu v službe chloridu železitého
Leptacie roztoky chloridu železitého (FeCl 3 ) sú vysoko oxidačné a agresívne korozívne pre väčšinu kovov. Typický chlorid železitý je 42 stupňov Bé (asi 40 % FeCl3). Titán bol vybraný kvôli pasívnej vrstve TiO₂, ktorá ho robí odolným voči FeCl3. Avšak, pitting je lokálny rozpad pasívneho povlaku, obyčajne na povrchových kazoch, inklúziách alebo štrbinách mikroškály. Povrchová úprava, meraná priemernou drsnosťou Ra, má priamy vplyv na množstvo a veľkosť možných miest iniciácie jamiek. Hladší povrch (nízke Ra) odstraňuje mikroskopické trhliny a znižuje počet miest pre koncentráciu chloridových iónov. Vysoko hladký povrch (Ra < 0,2 µm) vyžaduje elektrolytické alebo mechanické leštenie a zvyšuje náklady. Súčasná štúdia určila koreláciu medzi hodnotou Ra a dobou indukcie jamiek pri 42 stupňoch Bé FeCl3 pri 50 stupňoch a stanovila povrchovú úpravu, ktorá poskytla maximálne trvanie pred iniciáciou jamiek.

Vplyvy na mechanickú integritu: Iniciácia vzniku jamiek a drsnosť povrchu
Jamky v roztoku chloridu železitého na titáne začínajú na miestach, kde je pasívny film najtenší, alebo kde trhliny umožňujú akumuláciu chloridu. Na drsnom povrchu (Ra > 1,0 µm) sú údolia ako mikrotrhliny. Tieto žľaby sú zvyčajne široké 5–20 µm a hĺbka je rovnakého rádu ako hodnota Ra. V týchto údoliach sa chloridové ióny hromadia v dôsledku obmedzení difúzie a lokálne pH klesá v dôsledku hydrolýzy chloridov kovov, ktorá iniciuje tvorbu jamiek. Na hladkom povrchu (Ra < 0,4 µm) sú údolia plytké (<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.

Tepelný výkon: Vplyv povrchovej úpravy a prenosu tepla
Povrchová úprava má tiež vplyv na prenos tepla, ale je sekundárna vzhľadom na odolnosť proti jamkovej korózii. Skutočná povrchová plocha hrubšieho povrchu je väčšia (vo všeobecnosti 2 až 5-násobok projektovanej plochy pre Ra=1.5 µm), čo teoreticky zvyšuje prenos tepla zväčšením kontaktnej plochy s roztokom chloridu železitého. V skutočnosti je však hrúbka konvekčnej hraničnej vrstvy (zvyčajne 50–200 µm) výrazne väčšia ako drsnosť, a preto je koeficient prestupu tepla takmer nezávislý od Ra pre hodnoty pod 5 µm. Elektroleštenie (Ra=0.1µm) znižuje skutočnú povrchovú plochu o ~5 % v porovnaní s mechanicky lešteným povrchom, čo vedie k minimálnemu (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Synthesis of the trade-off: Ra Value vs Pitting Induction Time
Povrchová úprava Hodnota Ra (µm) Metóda E_pit (V vs. Ag/AgCl) Indukčný čas do prvej jamky (hodiny, 42 stupňov Bé FeCl3, 50 stupňov) Relatívny nákladový faktor
Ako-nakreslený (dokončenie frézovaním) 1,2 – 1,8 Žiadne +0.65 V 20 – 40 hod. 1,0× Morené (odvápňované kyselinou) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF máčanie +0.70 V 50 – 100 hod. Mechanicky leštené 41,100 hod. – 0,6 Leštenie pásu alebo kotúča +0.80 V 300 – 500 h 1,5×
Mechanické leštenie (zrnitosť 600) 0,2 – 0,3 Jemné abrazívne leštenie+0.88 V 2,0× 1,000 - 2000 hodín
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5 000 hodín. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 mesiacov nepretržitej prevádzky). Zlepšenie rastie exponenciálne, keď Ra klesá.

Technika po dokončení: pasivácia a úprava po{0}}leštení
Pre najlepšiu odolnosť proti jamkovej korózii by mal po elektrolyticky leštenom povrchu nasledovať krok pasivácie kyselinou dusičnou (20 % HNO 3 pri 50 stupňoch počas 30 minút). Táto úprava vedie k homogénnej,{5}}bezporuchovej vrstve TiO2, ktorá je hrubšia a stabilnejšia ako prirodzený pasívny film. Pasivovaný elektrolyticky leštený titán v prevádzke v chloridu železitom nevykazuje po 10 000 hodinách laboratórneho testovania žiadne jamkové jamky. Ak je elektrolytické leštenie pre danú aplikáciu príliš drahé, potom mechanické leštenie so zrnitosťou 600 (Ra ≈ 0,25 µm) a pasivácia poskytnú indukčný čas 1 000 – 2 000 hodín, čo je vhodné pre mnohé postupy dávkového leptania, pri ktorých sa ohrievač medzi jednotlivými dávkami odstráni a vyčistí. Trikom je vyhnúť sa povrchovým kontaminantom (železné častice, mastnota alebo vložené abrazíva), ktoré môžu slúžiť ako miesta iniciácie jamiek.

Záver: Elektrolyticky leštené (Ra menšie alebo rovné 0,15 μm) ponúka najdlhší indukčný čas
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 mesiacov. Mechanicky leštené povrchy (Ra=0.2–0,6 µm) vedú k medzičasom indukcie 300–2 000 hodín, čo je vhodné pre menej náročné aplikácie. Elektroleštenie nemá významnú tepelnú penalizáciu. Špecifikujte ohrievače na leptanie chloridom železitým s overenou elektrolyticky leštenou povrchovou úpravou Ra Menšia alebo rovná 0,15 μm a pasivácia v 20 % kyseline dusičnej po leštení. Zvýšené náklady na konečnú úpravu sú však kompenzované predchádzaním problémom súvisiacim s jamkami{12}}a dlhšou životnosťou. Vyberte si vhodnú povrchovú úpravu na základe predpokladanej doby nepretržitej prevádzky medzi intervalmi údržby. Pri akejkoľvek aplikácii dlhšej ako 1000 hodín sa odporúča elektrolytické leštenie.