Proč v pokovovací lince pro tvrdý chrom (kyselina chromová 250 g/l, 60 stupňů) překonává titanové pouzdro s mírně drsnějším povrchem (3,2 μm Ra) zrcadlovou-finišovou úpravu, pokud jde o odolnost vůči usazeninám chromátu?

Fundamental Trade-Off v titanové povrchové úpravě pro tvrdé chromování
Lázeň pro tvrdé chromování zahrnuje 250 g/l kyseliny chromové (CrO3) se síranovými katalyzátory při 60 stupních. Titanové ponorné ohřívače jsou běžné kvůli jejich dobré korozivzdornosti vůči oxidující kyselině chromové. Usazeniny chromátu (základní chromát chromitý a sloučeniny trojmocného chromu) se však srážejí na površích ohřívače a vytvářejí izolační vrstvy, které omezují přenos tepla a vyvolávají lokální přehřátí. Ze zkušeností na výrobních pokovovacích linkách bylo zjištěno, že titanové pláště s poněkud zdrsněným povrchem (Ra ≈ 3,2 μm) jsou lepší než pláště se zrcadlovou -dokončenou úpravou (Ra < 0,2 μm) v odolnosti vůči vytváření- ulpívajících chromátových usazenin. Tento neočekávaný výsledek je důsledkem mechaniky adheze nánosů, kde hladké povrchy mají tendenci podporovat silné chemické vazby a středně drsné povrchy mají tendenci poskytovat slabé mechanické rozhraní, kde se úsady odlupují během tepelného cyklu. Výzkum pokrývá mechanismus a navrhuje povrchovou úpravu pro službu tvrdého chromování.

Mechanismy adheze usazenin Vliv na mechanickou integritu
Chromátové usazeniny se tvoří na povrchu titanu mechanismem srážení: Cr(VI) v roztoku se redukuje na Cr(III) na horkém povrchu pláště, aby se vytvořil želatinový hydroxid chromitý, který se dehydratuje na ulpívající oxid. Na titanovém povrchu se zrcadlovou úpravou (Ra menší nebo rovno 0,2 μm) je rozhraní mezi povlakem a titanem téměř vynikající. Van der Waalsovy síly a chemická vazba mezi nimi poskytují vysokou přilnavost. Vrstva houževnatě odolává odstranění teplotním cyklem, prouděním tekutiny nebo jemným kartáčováním. Usazenina zahušťuje a izoluje pouzdro, zvyšuje povrchovou teplotu pouzdra a podporuje další ukládání. Na poněkud zdrsněném povrchu (Ra=2.5-4.0 μm) se nános mechanicky spojí s nerovnostmi, ale nevytvoří tak pevné chemické spojení, protože vrcholy drsnosti jsou přednostně oxidovány. Ještě důležitější je, že rozdíl v tepelné roztažnosti chromátového nánosu (koeficient=5-6 x 10 -6 / stupeň) a titanu (8,6 x 10 -6 / stupeň) vytváří smykové síly na rozhraní. Na drsném povrchu se tyto tlaky soustřeďují na úpatí prohlubní drsnosti, což vede k odlupování nánosu do malých vloček namísto vytváření silné souvislé vrstvy. Terénní údaje z linií tvrdého chromování naznačují, že povrchy topných těles jsou po 1 000 hodinách udržovány čisté pomocí nánosu 0,1–0,2 mm s Ra 3,2 μm, zatímco topná tělesa v zrcadlové úpravě jsou za stejnou dobu pokryta 0,8–1,2 mm odolného nánosu.

Vliv na tepelný výkon: Samočistící-efekt
Mírně drsný povrch zajišťuje samočisticí{0}}tepelný cyklus. Titanové pouzdro se roztahuje a smršťuje během typického zapínání-vypínání ohřívače (např. řízení teploty lázně). Zdrsněný povrch je posloupnost napěťových nástavců na kontaktu s titanem nasazeným-. Studie konečných prvků ukazuje, že mezifázové smykové napětí ve špičkách povrchu Ra=3.2 μm je zhruba 3krát vyšší než na povrchu Ra=0.2 μm pro stejné ΔT. Toto napětí je vyšší než adhezní síla chromátového nánosu a vyvolává mikro-spalaci. Odloupané částice padají do lázně a jsou odfiltrovány. Mírně drsný povrch představuje zanedbatelnou tepelnou penalizaci; skutečná plocha povrchu je pouze o 5–10 % větší než plocha leštěného povrchu a konvekční mezní vrstva (normálně 50–100 μm silná) není ovlivněna drsností pod Ra=10 μm. Koeficienty prostupu tepla jsou téměř stejné.

Syntéza-výměny: povrchová úprava vs. vytváření vkladů-
Povrchová úprava Ra (µm) Přilnavost Síla nánosu Tloušťka nánosu po 1000 hodinách (mm)Tvrdý chrom – Požadovaná frekvence čištění Doporučeno?
Elektrolyticky leštěno (zrcadlově leštěno) 0,1 – 0,2 Velmi vysoká (chemická vazba) 0,8 – 1,2 mm Týdně (kyselé máčení) Ne – odolný nános
Mechanicky leštěno (zrnitost 600) 0,3 – 0,5 Vysoká 0,5 – 0,8 mm Každé dva týdny Hrana
Jak-nakresleno (dokončení frézováním) 1,2 – 1,8 Střední 0,3 – 0,5 mm Měsíčně Přijatelné
Otryskané jemné skleněné kuličky 2,5 – 3,5 Nízké (snadno se odprýskává) 0,1 – 0,2 mm Čtvrtletní nebo delší Ano – optimální
Tryskaný (hrubý oxid hlinitý) 5,0 – 7,0 Velmi nízký < 0,1 mm Vzácné Přijatelné, ale může zachycovat znečišťující látky
Tryskací média a technika následného zpracování až po konečnou úpravu
Pro služby těžkého chromování poskytuje tryskání jemnými skleněnými kuličkami (50–100 μm kuličky při tlaku 2–3 bary) optimální Ra 2,5–3,5 μm bez vložených nečistot. Otryskávání oxidem hlinitým se nedoporučuje, protože zapuštěné částice oxidu hlinitého mohou sloužit jako galvanická místa. Pasivace kyselinou dusičnou (20% HNO3 při 50 stupních po dobu 20 minut) odstraňuje veškeré usazené železo nebo chrom z tryskacího materiálu a obnovuje pasivní film po tryskání. Otryskaný povrch po otryskání neotírejte ani neleštěte, protože to zabarvuje povrch a snižuje samočisticí účinek.

Závěr: Drsný povrch (Ra ~ 3,2 μm). Poskytuje výhodu samočištění-
V lince pro tvrdé chromování používající 250 g/l kyseliny chromové při 60 stupních je titanový plášť s poněkud hrubším povrchem (Ra ≈ 3,2 μm, získaný otryskáváním jemnými skleněnými kuličkami) vhodnější než plášť se zrcadlovou -dokončenou povrchovou úpravou, protože drsný povrch usnadňuje odlupování chromátových usazenin při tepelném cyklování. Slabé mechanické rozhraní v kombinaci s koncentrovaným tepelným smykovým napětím způsobuje odlupování usazenin, než narostou na izolační tloušťku. Zrcadlový-povrch přispívá k silnému chemickému spojení, které způsobuje rychlé hromadění usazenin, přehřívání a nutnost pravidelného čištění. Navrhovaná specifikace pro ohřívače s tvrdým chromováním je titanový plášť s tryskaným povrchovým leskem Ra=2.5–3,5 μm a následnou pasivací kyselinou dusičnou. Sdělte výrobci, kolik tepelných cyklů (cyklů zapnutí-vypnutí za den) očekáváte, a ověřte, zda bude samočistící systém fungovat. Tloušťka stěny (obvykle 1,2-1,5 mm) se volí individuálně podle požadavků na tlak a manipulaci. Tloušťka nemá žádný vliv na přilnavost nánosu.