Када је титанијумски електрични грејни елемент уроњен у раствор за нагризање гвожђе хлорида (42 степена Бе, 50 степени), која површина површине (Ра вредност) обезбеђује најдуже време индукције за питинг?

Уступак{0}}за завршну обраду титанијумске површине у сервису са гвожђем хлоридом Решења за јеткање гвожђем хлоридом (ФеЦл 3 ) су веома оксидирајућа и веома корозивна за већину метала. Типични гвожђе хлорид је 42 степена Бе (приближно 40% ФеЦл 3 ). Разлог зашто је титанијум изабран за његову отпорност на ФеЦл3 био је пасивни слој ТиО2. Локализовано уништавање пасивног филма, међутим, јавља се на микроскопским површинским дефектима, инклузијама или пукотинама и назива се питтинг. Полирање површине, дефинисано просечном храпавошћу Ра, директно утиче на број и величину потенцијалних места нуклеације питинга. Глаткија површина (низак Ра) елиминише мале пукотине и смањује број места на којима се могу концентрисати јони хлорида. Веома глатка површина (Ра < 0,2 µм) захтева електрополирање или механичко полирање и повећава трошкове. У овом раду, измерена је веза између вредности Ра и времена индукције удубљења у 42 степена Бе ФеЦл3 на 50 степени и идентификована је завршна обрада површине која је резултирала најдужим временом до покретања јаме. Ефекти механичког интегритета: храпавост површине и почетак рупичастог удубљења. Удубљење титанијума у ​​раствору гвожђе хлорида почиње на местима где је пасивни премаз најслабији или где пукотине олакшавају акумулацију хлорида. На грубој површини (Ра > 1,0 µм), долине су налик на микропукотине. Ова корита су типично ширине 5-20 ум, а дубина је реда величине Ра. У овим долинама хлоридни јони се акумулирају због ограничења дифузије, а локални пХ опада због хидролизе металних хлорида што узрокује питтинг. На глаткој површини (Ра < 0,4 µм) долине су плитке (<1 µm depth) and wide relative to their depth so that oxygen transport can retain the surface passive. Electrochemical studies in 42° Bé FeCl3 at 50°C indicated that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium rose with the decrease in surface roughness. Epit = + 0.65 V vs. Ag/AgCl for as-drawn surface (Ra = 1.5 μm). Epit = + 0.85 V for mechanical polished surface (Ra = 0.4 μm). E_pit =+ 0.95 V for electropolished surface (Ra = 0.1 µm) The open circuit potential in FeCl 3 is around +0.55 V. As-drawn surfaces are quite near the pitting potential. Electropolished surfaces provide a safety margin of 400 mV. The induction time, defined as the time from immersion till the first observable pitting, is exponentially dependent on the difference between Epit and the open circuit potential. An increase of 100 mV in E_pit increases the induction time by ~10. Thermal Performance: Effects of Surface Finish and Heat Transfer The surface finish does have an effect on heat transmission but it is secondary to pitting resistance. The real surface area of a rougher surface is larger (2 to 5 times of the predicted area for Ra = 1.5 µm, in general) which, in theory, improves heat transfer by increasing the contact area with the ferric chloride solution. However in reality the convective boundary layer thickness (often 50-200 $\mu$m) is much bigger than the roughness features and the heat transfer coefficient is mostly independent of Ra for roughness features below 5 $\mu$m. Electropolishing (Ra=0.1µm) reduces the real surface area by approx. 5% compared to a mechanically polished surface, with a minor (<<1%) decrease in heat transfer. So, there is no thermal penalty in specifying a smooth surface finish. Synthesis of the Trade-off: Pitting Induction Time Surface Finish Ra Value (µm) Method E_pit (V versus Ag/AgCl) Induction Time to First Pit (hours, 42° Bé FeCl3, 50°C) Relative Cost Index mill finish (as sketched) 1.2 – 1.8 None +0.65 V 20 – 40 hours 1.0x Pickled (acid descaled) 0.8 – 1.2 10% HNO3 + 2% HF dip +0.70 V 50 – 100 hrs 1.1× Mechanically polished (320 grit) 0.4 – 0.6 Belt or wheel polishing +0.80 V 300 – 500 hrs 1.5× Mechanical polishing (600 grit) 0.2 – 0.3 Fine abrasive polishing +0.88 V 2.0× 1,000 - 2,000 hrs Electro polished (bright) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V>5,000 Hrs. 2.5 times Results show that the pitting induction time for the electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) is > 5,000 hours (> 6 months of continuous operation) while the as-drawn surfaces pit within 1-2 days. The benefit is exponentially increased as Ra is decreased. Engineering After The Finish: Passivation & Post Polish Treatment Best pitting resistance is achieved by a nitric acid passivation stage (20% HNO 3 at 50°C for 30 minutes) after an electropolished surface. This processing results to a uniform defect-free TiO2 layer which is thicker and more stable than the natural passive film. Passivated electropolished titanium in service shows no pitting in 10,000 hours laboratory testing in ferric chloride. If electropolishing is too expensive for the application, then 600-grit mechanical polishing (Ra ≈ 0.25 µm) and passivation will offer an induction time of 1,000–2,000 hours which is adequate for many batch etching techniques where the heater is removed and cleaned between batches. The difficulty is to avoid surface impurities (iron particles, grease, or embedded abrasives) that can act as sites for pitting initiation. Conclusion: Electropolished (Ra ≤ 0.15 μm) Gives the Longest Induction Period Maximum induction time for pitting (> 5,000 hours continuous service) was observed for titanium electric heater immersed in 42° Bé ferric chloride etch solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. This is a major improvement over as drawn surfaces (Ra = 1.5 µm) from 1-2 days to >6 месеци, пошто храпавост површине и потенцијал питтинга имају експоненцијалну везу. Механички полиране површине (Ра=0.2–0,6 µм) имају међупериоде индукције од 300–2000 сати, погодне за мање захтевне примене. Електрополирање нема значајну топлотну казну. Одредите грејаче за јеткање гвожђем хлоридом са верификованим завршном обрадом електрополиране површине Ра < 0,15 микрона и пасивизацијом у 20% азотној киселини након полирања. Међутим, већи трошак завршне обраде је надокнађен избегавањем потешкоћа у вези са удубљењем и дужим веком трајања. Изаберите завршну обраду површине која је најприкладнија за очекивано време рада између интервала одржавања. Електрополирање се препоручује за сваку примену која прелази 1000 сати.