Milline titaanpinna viimistlus (marineeritud, poleeritud või liivapritsiga töödeldud) peab 60-kraadise nurga all töötavate suure voolutihedusega kroompaakide puhul kõige paremini vastu galvaanilisele rünnakule?

Kroomitud paak loob sukelkütteseadmetele väga agressiivse elektrokeemilise keskkonna. Vann sisaldab tavaliselt 250–400 g/l kroomhapet (CrO₃) sulfaatkatalüsaatori suhtega 100:1, töötab 55–65 kraadi juures ja on plaadistamise ajal allutatud suurele voolutihedusele (20–60 A/dm²). Titaanist küttetorusid kasutatakse selles teenuses sageli nende vastupidavuse tõttu oksüdeerivale kroomhappele. Kuid konkreetne rike, galvaaniline rünnak, võib ilmneda siis, kui titaanpind puutub kokku plaadistusalaldi eraldusvooludega või kui see moodustab koos teiste metallkomponentidega lokaalseid elektrokeemilisi elemente. Galvaaniline rünnak titaansoojenditele on erinevalt homogeensest korrosioonist või täppidest eriti tundlik tootmise ajal kasutatud pinnaviimistluse suhtes. Marineeritud, poleeritud ja liivapritsiga töödeldud viimistlus annab kroomhappe lahustes üsna mitmekesised pinnaoksiidi omadused, passiivse kile stabiilsuse ja elektrokeemilise aktiivsuse. Selles artiklis analüüsitakse iga titaani pinnatöötluse galvaanilist korrosioonikindlust kroomimise tingimustes ja määratakse kindlaks, milline viimistlus pakub pikima kasutusiga, kui küttekehad peavad töötama suure tihedusega plaadistusvooludega.

Galvaaniline mehhanism kroomhappekeskkonnas
Kirjeldatakse kahte kroomitud paakides olevate titaanküttetorude galvaanilise rünnaku mehhanismi. Esimene koosneb otsesest elektrikontaktist titaani ja katoodsema metalli, tavaliselt kroomimisel kasutatavate plii- või plii-sulami anoodide või roostevabast terasest paagi seina vahel. Kui need erinevad metallid on vanni elektrolüüdiga elektriliselt ühendatud, muutub titaan anoodiks ja lahustub kiirendatud kiirusega. Teise mehhanismi põhjustavad plaadistusalaldi hajuvad voolud. Kroomimisel kasutatakse tooriku katoode ja pliianoode. Paagi mis tahes isoleerimata juhtiv pind võib haarata hajuvoolu, mille tulemuseks on anoodiline lahustumine (kui see toimib anoodina) või vesiniku eraldumine ja võimalik rabestumine (kui see toimib katoodina). kroomhappe puhul ei ole titaan galvaanilise seeria samas asendis kui neutraalses või redutseerivas keskkonnas. Titaanil on väga stabiilne passiivne kile ja see käitub oksüdeerivas kroomhappes nagu väärismetall (nagu plaatina mõnel elektrokeemilisel mõõtmisel) (Cr6+ kontsentratsioon üle 200 g/L, redokspotentsiaal üle +1.2 V vs. SHE). Kuid see on üllas omadus, mis muudab titaani katoodseks enamiku muude materjalide, sealhulgas plii, roostevaba terase ja süsinikterase suhtes. Nende metallidega kokkupuutel on titaan kaitstud ja kokkupuutuv metall kannatab korrosiooni all - vastupidiselt soolasele veele.

Titaanküttekehade puhul tekib probleem siis, kui pinnaoksiidi paksuse või koostise lokaalne varieeruvus tekitab sama titaantoru erinevate piirkondade vahel galvaanilised rakud. Näiteks on liivapritsiga töödeldud pinnal ebaühtlane mehaaniliselt kahjustatud oksiidikiht, mille pindalad on pingestatud ja abrasiivsed osakesed. Selle asemel kujutab sile, keemiliselt ühtlane TiO2 leht poleeritud pinda. Hajuvoolude või lokaalsete potentsiaalsete gradientide olemasolul võivad ebahomogeense pinna vähem kaitstud piirkonnad eelistatavalt korrodeeruda. Puistetitaan on täiesti passiivne, kuid see ise{6}}galvaaniline korrosioon võib kroomimise teenuses mõne kuuga perforeerida küttekeha seina.

Oksiidi stabiilsuse ja pinnaviimistluse omadused
Marineeritud titaanpinnad saadakse 2-10 minutiks 30-50 kraadi juures segatud happelahusesse, mis on tavaliselt 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF, sukeldamisel. Marineerimine eemaldab alfa-kassikihi (kuumtöötlemise või lõõmutamise käigus tekkinud hapnikuga saastunud pinnakiht) ja tulemuseks on ühtlaselt söövitatud matthall pind, mille karedus on kontrollitud (Ra 0,8-1,6 µm). Korralikult marineeritud titaanpinnal on õhuke (5-10 nm) oksiidkate, mis on stöhhiomeetriline TiO2 ja vaba sisseehitatud lisanditeta. Märgitud pindadel on konstantne avatud vooluahela potentsiaal +0.8 kuni +1.1 V vs. SCE ja passiivne voolutihedus<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Poleeritud titaanpinnad lihvitakse mehaaniliselt järk-järgult peenemate abrasiividega kuni peegelviimistluseni (Ra 0,1–0,4 µm). Poleerimine annab väga sileda pinna tiheda ja defektideta oksiidikihiga. Kuid mehaaniline poleerimine võib tekitada jääksurvepingeid ja pinnasesse sattuda sub{4}}abrasiivseid osakesi (alumiiniumoksiid või ränikarbiid). Kroomihappes poleeritud titaanil on kõige nooblim avatud -ahela potentsiaal (+1.0 kuni +1.2 V vs. SCE) ja madalaimad passiivsed voolutihedused (alla 0,005 mA/cm²). Poleeritud titaan on väga üllas, mistõttu on see teiste metallidega ühendamisel suurepärane katood. Poleeritud toru pinna homogeensus tähendab aga seda, et galvaaniline{13}korrosioon toru erinevate osade vahel on väike.

Liivapritsiga töödeldud titaanpinnad moodustuvad suure kiirusega abrasiivse aine (alumiiniumoksiid, ränikarbiid või klaashelmed) löömisel. Liivapritsiga töötlemine annab krobelise ja kõvastunud pinna (Ra 2,0-5,0 µm), millel on abrasiivsed killud, rebenenud metallpinnad ja väga deformeerunud oksiidikiht. Liivapritsiga töödeldud titaanil olev oksiid ei ole pidev passiivne kile, vaid TiO_2, suboksiidide (TiO, Ti_2O_3) ja löögikraatrite põhjas oleva palja titaani segu. Liivapritsiga töödeldud pindade avatud vooluahela potentsiaal kroomhappes varieerub suuresti (-0,2 kuni +0.6 V vs SCE) sõltuvalt deformatsiooniastmest ja pinnasesse sattunud ainest. Passiivne voolutihedus on sageli 10–100 korda suurem kui marineeritud või poleeritud pindadel, mis näitab, et aktiivne lahustuvus toimub kohtades, kus oksiidkile ei ole täielik.

Galvaanilise voolu tiheduse mõõtmised
Nulltakistuse ampermeetriga (ZRA) juhitav elektrokeemiline testimine võimaldab kvantitatiivselt võrrelda galvaanilisi tendentse erinevate pinnaviimistluste ja muude metallide vahel. Galvaanilisi voolusid mõõdeti titaankehade (pindala 10 cm²) ja muude tavaliste paagimaterjalide vahel kroomitud vanni tingimustes (250 g/l CrO₃, 2,5 g/l H₂SO₄, 60 kraadi):

Marineeritud titaan, mis on ühendatud pliianoodidega (kroompaakides kõige levinum erineva metalliga kontakt), näitab titaani pinnal galvaanilise voolu tihedust 0,02 mA/cm² – see on ebaoluline ja tõenäoliselt ei põhjusta viie aasta jooksul märgatavat titaani kadu. Poleeritud titaan leditud plii annab 0,01 mA/cm2, ka vähe. Liivapritsiga töödeldud titaan, mis on ühendatud pliiga, titaan on anood, on 0,25 mA/cm2. Voolutihedus tähendab titaani lahustumiskiirust umbes 0,15 mm aastas, mis on piisav 1,65 mm toru seina õhendamiseks kuni perforatsioonini 5–7 aasta jooksul.

Kui marineeritud titaan on ühendatud roostevabast terasest paagi seintega (tüüp 316L), mõõdetakse galvaanilist voolu 0,03 mA/cm2. Titaan on kergelt katoodne (kaitstud) ja roostevaba teras anoodiline. Poleeritud titaan andis 0,02 mA/cm2. Liivapritsiga töödeldud titaan annab 0,08 mA/cm2, titaan on anood kohalikes aktiivsetes kohtades ja tekib auk{9}}tüüpi rünnak.

Titaanküttekehade kõige raskema galvaanilise seisundi põhjustavad alaldi hajuvad voolud. Kogemata ühendamisel põhjustab küttekeha abikatood (nt maandustee, mis lõpetab vooluringi alaldi negatiivse klemmiga) vesiniku eraldumise titaanpinnal. Vesiniku eraldumine marineeritud titaanil algab umbes –0,6 V vs SCE juures ja on tugev potentsiaalidel alla –0,8 V. Imendunud vesinik põhjustab haprust, kuid mitte vahetut seina tungimist. Vesiniku eraldumine algab liivapritsiga töödeldud titaani puhul väiksema negatiivse potentsiaaliga (-0,4 V vs. SCE) ja sellega kaasneb deformeerunud pinnakihi ketendumine, paljastades värske titaani, mis neelab kiiresti vesinikku. Katoodi{11}polarisatsiooni korral tekivad hüdriidikihid liivapritsiga töödeldud pindadel 100 tunni jooksul, seejärel pragunevad ja lõhenevad.

Kroomkattega küttekehad pinnaviimistluse valiku maatriks
Järgmine tabel on täielik valikujuhend, mis põhineb paagi konfiguratsioonil, alaldi maandusmeetodil ja küttekeha eeldataval kasutusajal.

Paagi konfiguratsioon ja töötingimused Soovitatav titaanpinna viimistlusseina paksus (mm) Põhjendus ja eeldatav kasutusiga
Isoleeritud küttekeha paigaldus Eraldi maandus alaldi jaoks Puudub otsene elektriühendus anoodide/katoodidega Värvitud (tavaline) 1,2-1,65 mm Märgitud pind annab stabiilse passiivse kile, millel on väike isegalvaaniline aktiivsus. Kasutusaeg on tavaliselt 5-8 aastat.
Soojendi äärikuga roostevabast terasest paagi külge, ühine maandus plaadistusalaldiga.1,5-1,65 mm poleeritud Siledam pind vähendab galvaanilist sidumist roostevaba terasega; Suurem õilsus vähendab praegust eksitavat kasutusiga. 6-10 aastat.
Pliianoodidega samal siinil olev küttekeha (elektriliselt ühendatud) Poleeritud 1,65-2,0 mm Poleeritud pind on vääriskatood, mis kaitseb kütteseadet anoodi eluea arvelt; sobib, kui on ette nähtud anoodikulu.
Halb hajuvoolu juhtpaak Sage kontakt küttekeha ja töödeldavate detailide vahel Marineeritud + elektriisolatsioon (PTFE-puksid) 1,65 mm Nõuetekohase isolatsiooni korral on pinnaviimistlus vähem vajalik; marineeritud on ökonoomne; vahetage välja, kui kriimustused paljastavad palja metalli.
Tugeva segamisvõimega paak abrasiivse kroomhappeuduga (osakeste erosioonipotentsiaal) Liivapritsiga puhastatud (tahtlik) 2,0 mm või rohkem Nõustuge katte nakkumiseks lühendatud galvaanilise elueaga (3–5 aastat). Liivapritsiga töötlemine on õigustatud ainult pinnakatete mehaanilise haarde korral.
Paagi moderniseerimine tundmatute maandustingimustega Poleeritud 1,65 mm Poleeritud pind pakub suurimat kaitset tundmatute hulkvoolude galvaanilise rünnaku vastu. Kontrollige kuue kuu pärast.
Küttekeha spetsifikatsiooni praktilised tagajärjed
Titaanist sukelsoojendi pinnakvaliteet ei ole pelgalt esteetiline kaalutlus, vaid galvaanilise ühilduvuse tegur kroomitud paagi keskkonnaga. Marineeritud viimistlus, mis on tööstuses levinud enamiku titaankomponentide puhul, on piisav kütteseadmete jaoks, mis on korralikult maandatud ja elektriliselt eraldatud ning mille ainus galvaaniline ühendus toimub passiivse kontakti kaudu vanniga. Plaaditud alalditega maandatud küttekehade, roostevabast terasest paagi seintega kokkupuutuvate äärikute paigaldamiseks või juhuslike voolude korral annab poleeritud viimistlus mõõdetava galvaanilise takistuse paranemise. Poleeritud titaani kõrgem õilsus ja näiline ühtlus vähendavad galvaanilise sidestuse liikumapanevat jõudu ja lokaalse rünnaku aktiivsete kohtade arvu.

Vältige kroomimisel liivapritsiga viimistlust, välja arvatud juhul, kui see on spetsiaalselt vajalik katte nakkumiseks (nt PTFE-katted kroomhappe väljatõmbe vähendamiseks). Mehaaniliste kahjustuste ja kinnijäänud abrasiivide tulemuseks on ebaühtlane, elektrokeemiliselt aktiivne pind, mis toetab galvaanilist voolu, mis on 5–20 korda suurem kui marineeritud või poleeritud pinnad. Liivapritsiga töödeldud titaanist kroomvannides olevad küttekehad on galvaanilise perforatsiooni tõttu rikki läinud vaid 18 kuuga, samas kui poleeritud küttekehad sama teenusega 7–10 aastaga.

Järeldus kroomimise inseneridele
Titaanist küttetorude tellimisel 60 kraadise nurga ja suure voolutihedusega kroomitud paakidele, kui elektriline isolatsioon plaadistusahelast ei pruugi olla tagatud, on parim määratav pinnakvaliteet poleeritud (peegelviimistlus, Ra 0,4 µm või väiksem). Leitakse poleeritud pindade kõige õilsamad avatud ahela potentsiaalid, madalaimad passiivsed voolud ja parim vastupidavus hulkvooludest põhjustatud lagunemisele. Marineeritud viimistlus (Ra 0,8-1,6 µm) tagab võrdse kasutusea madalamate kuludega täielikult isoleeritud küttesüsteemidele, millel on spetsiaalsed maanduskanalid ja mis ei puutu kokku anoodide või paagi seintega. Liivapritsiga töödeldud viimistlust ei soovitata kasutada ühegi kroomimise korral, kuna neil on kõrge galvaaniline aktiivsus ja kiire rikete määr. Tavalised kaubanduslikud titaansoojendid tarnitakse tavaliselt muutuva viimistlusega (lõõmutatud või tõmmatud kujul), mis ei pruugi kroomimise teenuse jaoks sobida. Insenerid peaksid hankedokumentides nimetama konkreetselt pinnaviimistlust. Poleeritud pinna spetsifikatsioon lisab küttekeha maksumusele 10–15%, kuid pikendab kasutusiga 50–100%. See on üks soodsamaid võimalikke investeeringutasuvusi kroomvanniseadmete valikul.