Kurai titāna klasei (vai alternatīvam metālam) būtu jāaizstāj 2. pakāpe ķīmiskās kodināšanas vannā, kas satur fluorūdeņražskābi un slāpekļskābi, lai izdzīvotu pēc 48 stundām?
Atstāj ziņu
Titāna un nerūsējošā tērauda ķīmiskās kodināšanas vannas parasti satur fluorūdeņražskābes (HF) un slāpekļskābes (HNO₃) maisījumu. HF nodrošina parasto metālu agresīvu šķīdināšanu, savukārt HNO₃ darbojas kā oksidētājs, lai kontrolētu reakcijas ātrumu un uzlabotu virsmas apdari. Izplatīts sastāvs ir 10% HF + 20% HNO₃ ūdenī, kas darbojas 25–40 grādu temperatūrā. 2. klases titāns, neskatoties uz tā lielisko izturību pret koroziju daudzās vidēs, ātri izšķīst HF-nesošos šķīdumos. Fluorīda jonu kompleksi veido titāna jonus un novērš pasīvās plēves veidošanos. Tipiskā kodināšanas vannā 2. pakāpes titāns zaudē 0,5–1,0 mm sieniņu biezumu stundā, kā rezultātā standarta 1,2 mm caurule tiek pilnībā perforēta 2–3 stundu laikā. Lai izturētu ilgāk par 48 stundām kumulatīvās iedarbības, ir jāizvēlas cits materiāls-vai nu specializēts titāna sakausējums, vai alternatīvs metāls{20}}.
Ātrās 2. pakāpes titāna uzbrukuma mehānisms HF/HNO₃ maisījumos
Šķīdumos, kas satur HF-, pasīvā TiO₂ plēve izšķīst uzreiz: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Ja nav aizsargplēves, pamatā esošais titāna metāls aktīvi korodē. Slāpekļskābe maisījumā nerepasivē titānu, jo fluorīda joni nepārtraukti noņem visus oksīdus, kas veidojas. Korozijas reakcija ir vienmērīga un ātra: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Ūdeņraža izdalīšanās reakciju paātrina arī HF. Rezultāts ir lineārs materiāla zuduma ātrums bez inkubācijas perioda. 2., 7. un 12. klases titāns satur titānu kā parasto metālu, tāpēc HF/HNO₃ maisījumos visiem ir līdzīgs uzbrukuma līmenis.
Alternatīvu titāna klašu veiktspēja HF/HNO₃
Kontrolētā iegremdēšanas pārbaude 10% HF + 20% HNO₃ 30 grādu temperatūrā ir atklājusi šādus korozijas ātrumus:
2. klase (komerciāli tīra): korozijas ātrums 0,8 mm stundā. 1.2 mm caurule, perforēta 1,5 stundu laikā. Nav piemērots tikai vienreiz lietojamiem -vienreiz lietojamiem sildītājiem.
7. klase (Ti-0,15 Pd): korozijas ātrums 0,7 mm stundā. Pallādijs nesniedz nekādu labumu, jo cēlmetālu katalīzei ir nepieciešama neskarta pasīvā plēve, kuras nav. Līdzīgi 2. klasei.
12. klase (Ti-0,3Mo-0,8Ni): korozijas ātrums 0,6 mm stundā. Molibdēna un niķeļa piedevas piedāvā nelielu uzlabojumu, taču ar to nepietiek 48 stundu izdzīvošanai.
5. klase (Ti-6Al-4V): Korozijas ātrums 0,5 mm stundā. Alfa-beta mikrostruktūra galvenokārt izšķīst pie beta fāzes robežām, izraisot starpgranulāru uzbrukumu. Nav ieteicams.
Alternatīva metāla izvēle HF/HNO₃ pakalpojumam
Nākamajā tabulā ir sniegts alternatīvu metālu salīdzinājums, kas var izturēt 48 stundas vai ilgāk HF/HNO₃ kodināšanas vannās:
| Metāls vai sakausējums | Korozijas ātrums 10% HF+20% HNO₃ pie 30 grādiem (mm/gadā) | Laiks caur 1,5 mm sienu | Maksimālais drošas darbības HF% | Izmaksu indekss ({0}}. pakāpe) |
|---|---|---|---|---|
| Tantals (neleģēts) | 0,05 mm/gadā | 30,000+ stundas (3.4+ gadi) | Līdz 60% HF | 15–20 |
| Cirkonijs (R60702) | 0,08 mm/gadā | 18 750 stundas (2,1 gads) | Līdz 50% HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/gadā | 1,25 stundas (75 minūtes) | Nav ieteicams | 3–4 |
| Augsta{0}}silīcija čuguns (Duriron) | 0,3 mm/gadā | 5000 stundas (7 mēneši) | Līdz 15% HF | 2–3 |
| PTFE (polimērs, nevis metāls) | 0,00 mm/gadā (ķīmiski inerts) | Neierobežots (mehāniskās izturības ierobežojumi) | Jebkurš | 1,5–2 (ar metāla balstu) |
| Ar tantalu{0}}pārklāts titāns | Tas pats, kas tantals (0,05 mm/gadā) | 30,000+ stundas | Līdz 60% HF | 10–12 |
Praktiska atlases rokasgrāmata 48 stundu izdzīvošanas prasībām
Sildītājam, kuram ir jāiztur 48 kumulatīvās stundas iegremdējot HF/HNO₃ kodināšanas vannā, materiāla korozijas ātrumam ir jābūt mazākam par aptuveni 0,03 mm stundā (0,03 mm/h × 48 h=1.44 mm iespiešanās). Šai prasībai atbilst tikai tantals, cirkonijs un PTFE:
Tantals: Vislabākā vispārējā izturība pret koroziju. Veido stabilu Ta₂O₅ plēvi, kas iztur HF līdz 60% koncentrācijām zem 50 grādiem. Maksimālā darba temperatūra 150 grādi. Augstas izmaksas, bet piedāvā gadu desmitiem ilgu pakalpojumu. Metināms un izgatavojams.
Cirkonijs: Lieliska alternatīva ar zemākām izmaksām. Iztur HF, veidojot ZrO₂ plēvi, kas ir stabilāka nekā TiO₂ fluorīda vidē. Maksimālā HF koncentrācija 50% pie 30 grādiem. Ja slāpekļskābes koncentrācija nokrītas zem 10%, ir jutīga pret bedrīšu veidošanos.
PTFE (politetrafluoretilēns): Ķīmiski inerts pret HF/HNO₃ maisījumiem. Izmanto kā starpliku virs metāla pamatnes (parasti oglekļa tērauda vai titāna konstrukcijas atbalstam). Maksimālā darba temperatūra 200 grādi. Siltumvadītspēja ir ļoti zema (0,25 W/m·K pret . 21 W/m·K titānam), tāpēc sildītājiem ir nepieciešams daudz lielāks virsmas laukums.
Apzinātas specifikācijas izveide
Norādot sildītāju HF/HNO₃ kodināšanas vannai, kurai nepieciešama izdzīvošana ilgāk par 48 stundām, neatlasiet nevienu titāna kategoriju. 2., 7. un 12. pakāpe neizdodas dažu stundu laikā. Lietojumiem, kur izmaksas ir sekundāras un uzticamība ir vissvarīgākā, norādiet cieta tantala iegremdējamo sildītāju. Lai izmantotu izdevīgākus-pielietojumus, norādiet cirkonija sildītāju ar sieniņu biezumu vismaz 2,0 mm. Lai iegūtu zemāko izmaksu opciju, kas joprojām nodrošina 48 stundu izdzīvošanu, norādiet titāna sildītāju ar PTFE apvalku, kurā PTFE nodrošina ķīmisko izturību (0,5–1,0 mm biezums), bet titāns nodrošina strukturālu atbalstu. Pieprasīt no piegādātāja korozijas pārbaudes sertifikātus konkrētajai HF/HNO₃ attiecībai un paredzētajai vannas temperatūrai. Darbības laikā katru dienu uzraudzīt HF koncentrāciju; paaugstināšanās virs 15% HF palielina korozijas ātrumu uz cirkonija 10 reizes. Izvēloties alternatīvu metālu, nevis mēģinot modificēt titāna kategorijas, inženieris nodrošina uzticamu sildītāja veiktspēju vienā no nedaudzajām vidēm, kur titāns būtībā nav piemērots.
