Který titan (nebo alternativní kov) by měl v chemické leptací lázni obsahující kyselinu fluorovodíkovou a dusičnou nahradit stupeň 2, aby přežil déle než 48 hodin?
Zanechat vzkaz
Chemické leptací lázně pro titan a nerezovou ocel obvykle obsahují směs kyseliny fluorovodíkové (HF) a kyseliny dusičné (HNO3). HF zajišťuje agresivní rozpouštění obecných kovů, zatímco HNO3 působí jako oxidační činidlo pro řízení reakční rychlosti a zlepšení povrchové úpravy. Běžným složením je 10 % HF + 20 % HNO₃ ve vodě, fungující při 25–40 stupních . Titan třídy 2 se navzdory své vynikající odolnosti proti korozi v mnoha prostředích rychle rozpouští v HF -roztocích ložisek. Fluoridové ionty tvoří komplexy s titanovými ionty a brání tvorbě pasivního filmu. V typické leptací lázni ztrácí titan 2. třídy tloušťku stěny 0,5–1,0 mm za hodinu, což vede k úplné perforaci standardní 1,2 mm trubice během 2–3 hodin. Chcete-li přežít déle než 48 hodin kumulativní expozice, je třeba vybrat jiný materiál-buď specializovanou titanovou slitinu, nebo alternativní kov-.
Mechanismus rychlého útoku titanem 2. stupně ve směsích HF/HNO₃
V roztocích obsahujících HF- se pasivní film TiO₂ rozpouští okamžitě: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Bez ochranného filmu podkladový titanový kov aktivně koroduje. Kyselina dusičná ve směsi nerepasivuje titan, protože fluoridové ionty nepřetržitě odstraňují veškerý vzniklý oxid. Korozní reakce je rovnoměrná a rychlá: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Reakce vývoje vodíku je také urychlena HF. Výsledkem je lineární ztráta materiálu bez inkubační doby. Titan třídy 2, třídy 7 a třídy 12 obsahuje titan jako základní kov, takže všechny trpí podobnou mírou napadení ve směsích HF/HNO3.
Výkon alternativních titanových jakostí v HF/HNO₃
Kontrolované ponorné testování v 10% HF + 20% HNO₃ při 30 stupních stanovilo následující rychlosti koroze:
Stupeň 2 (komerčně čistý): Rychlost koroze 0,8 mm za hodinu. 1.2 mm trubice perforovaná za 1,5 hodiny. Nevhodné kromě jednorázových ohřívačů-na jedno použití.
Stupeň 7 (Ti-0,15Pd): Rychlost koroze 0,7 mm za hodinu. Palladium neposkytuje žádnou výhodu, protože katalýza ušlechtilými kovy vyžaduje neporušený pasivní film, který chybí. Podobně jako ve 2. třídě.
Stupeň 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Rychlost koroze 0,6 mm za hodinu. Přídavky molybdenu a niklu nabízejí okrajové zlepšení, ale nedostatečné pro 48hodinové přežití.
Stupeň 5 (Ti-6Al-4V): Rychlost koroze 0,5 mm za hodinu. Alfa-beta mikrostruktura se rozpouští přednostně na hranicích beta fáze, což vede k intergranulárnímu napadení. Nedoporučuje se.
Alternativní výběr kovu pro službu HF/HNO₃
Následující tabulka poskytuje srovnání alternativních kovů, které mohou přežít 48 hodin nebo více v HF/HNO₃ leptacích lázních:
| Kov nebo slitina | Míra koroze v 10 % HF +20 % HNO₃ při 30 stupních (mm/rok) | Doba průniku 1,5 mm stěnou | Maximální bezpečný provozní HF % | Index nákladů (stupeň 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Tantal (nelegovaný) | 0,05 mm/rok | 30,000+ hodin (3.4+ let) | Až 60 % HF | 15–20 |
| Zirkonium (R60702) | 0,08 mm/rok | 18 750 hodin (2,1 roku) | Až 50 % HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/rok | 1,25 hodiny (75 minut) | Nedoporučuje se | 3–4 |
| Vysoce-křemíková litina (Duriron) | 0,3 mm/rok | 5 000 hodin (7 měsíců) | Až 15 % HF | 2–3 |
| PTFE (polymer, ne kov) | 0,00 mm/rok (chemicky inertní) | Neomezené (meze mechanické pevnosti) | Žádný | 1,5–2 (s kovovou podpěrou) |
| titan plátovaný-tantalem | Stejné jako tantal (0,05 mm/rok) | 30,000+ hodin | Až 60 % HF | 10–12 |
Praktický průvodce výběrem pro požadavek 48hodinového přežití
Pro ohřívač, který musí vydržet 48 kumulativních hodin ponoření do HF/HNO₃ leptací lázně, musí mít materiál rychlost koroze nižší než přibližně 0,03 mm za hodinu (0,03 mm/h × 48 h=1.44 mm průnik). Tento požadavek splňují pouze tantal, zirkonium a PTFE:
Tantal: Nejlepší celková odolnost proti korozi. Vytváří stabilní film Ta₂O₅, který odolává HF až do koncentrací 60 % pod 50 stupňů. Maximální provozní teplota 150 stupňů. Vysoká cena, ale nabízí desítky let služby. Svařitelné a zpracovatelné.
Zirkonium: Výborná alternativa s nižšími náklady. Odolává HF vytvořením filmu ZrO2, který je ve fluoridových médiích stabilnější než TiO2. Maximální koncentrace HF 50 % při 30 stupních. Náchylné k důlkové korozi, pokud koncentrace kyseliny dusičné klesne pod 10 %.
PTFE (polytetrafluorethylen): Chemicky inertní vůči směsím HF/HNO3. Používá se jako vložka na kovový podklad (obvykle uhlíková ocel nebo titan pro konstrukční podporu). Maximální provozní teplota 200 stupňů. Tepelná vodivost je velmi nízká (0,25 W/m·K vs . 21 W/m·K pro titan), takže ohřívače vyžadují mnohem větší plochu.
Vytvoření informované specifikace
Při specifikaci ohřívače pro HF/HNO₃ leptací lázeň, která vyžaduje přežití déle než 48 hodin, nevybírejte žádnou kvalitu titanu. Stupeň 2, stupeň 7 a stupeň 12 selžou během několika hodin. Pro aplikace, kde jsou náklady až na druhém místě a spolehlivost je prvořadá, určete masivní tantalový ponorný ohřívač. Pro aplikace citlivější na náklady- určete zirkoniový ohřívač s tloušťkou stěny minimálně 2,0 mm. Pro nejlevnější variantu, která stále dosahuje 48{11}}hodinového přežití, specifikujte titanový ohřívač s pláštěm z PTFE, kde PTFE poskytuje chemickou odolnost (tloušťka 0,5–1,0 mm) a titan poskytuje strukturální podporu. Vyžádejte si od dodavatele certifikáty o korozní zkoušce ve specifickém poměru HF/HNO₃ a teplotě zamýšlené lázně. Během provozu monitorujte koncentraci HF denně; Nárůst nad 15 % HF zvyšuje rychlost koroze na zirkoniu faktorem 10. Výběrem alternativního kovu namísto pokusu o úpravu jakosti titanu technik zajišťuje spolehlivý výkon ohřívače v jednom z mála prostředí, kde je titan zásadně nevhodný.
