Za hromirane rezervoare koji rade na 60 stepeni sa visokom gustinom struje, koja titanijumska površinska obrada (ukiseljena, polirana ili pjeskarena) najbolje je otporna na galvanski napad?

Spremnik za hromiranje pruža vrlo agresivno elektrohemijsko okruženje za uronjenu opremu za grijanje. Kupka normalno sadrži 250-400 g/L hromne kiseline (CrO₃) sa omjerom sulfatnog katalizatora od 100:1, radi na 55-65 stepeni i podvrgnuta je visokoj gustini struje (20-60 A/dm²) tokom procesa oblaganja. Titanijumske cijevi za grijanje se često koriste u ovoj službi zbog njihove otpornosti na oksidirajuću hromnu kiselinu. Međutim, poseban način kvara, galvanski napad, može se dogoditi kada je površina titanijuma izložena lutajućim strujama iz ispravljača za oblaganje ili kada formira lokalne elektrohemijske ćelije sa drugim metalnim komponentama. Galvanski napad na titanijumske grejače je posebno osetljiv na završnu obradu površine koja se koristi tokom proizvodnje, za razliku od homogene korozije ili pitting. Ukiseljene, polirane i pjeskarene završne obrade daju prilično raznolika svojstva površinskih oksida, stabilnost pasivnog filma i elektrohemijsku aktivnost u otopinama hromne kiseline. Ovaj članak analizira otpornost na galvansku koroziju svakog površinskog tretmana titanijuma u uslovima hromiranja i određuje koja završna obrada nudi najduži radni vek kada su grejači potrebni za rad sa strujama visoke gustine.

Galvanski mehanizam u medijima hromne kiseline
Opisana su dva mehanizma galvanskog napada titanskih grijaćih cijevi u hromiranim rezervoarima. Prvi se sastoji od direktnog električnog kontakta između titanijuma i katodnijeg metala, obično olovnih ili legura olova{1}}anode koje se koriste u hromiranju, ili zid rezervoara od nerđajućeg čelika. Kada se ovi različiti metali električno povežu elektrolitom kupke, titan postaje anoda i rastvara se ubrzanom brzinom. Drugi mehanizam je uzrokovan lutajućim strujama obloženog ispravljača. Kromiranje koristi katode izradaka i olovne anode. Svaka neizolovana vodljiva površina u rezervoaru može pokupiti zalutalu struju, što rezultira ili anodnim otapanjem (ako služi kao anoda) ili evolucijom vodika i mogućim krhkošću (ako deluje kao katoda). kod hromne kiseline, titan nije na istoj poziciji galvanskog niza kao u neutralnom ili redukcionom mediju. Titan ima vrlo stabilan pasivni film i ponaša se kao plemeniti metal (kao platina u nekim elektrohemijskim mjerenjima) u oksidaciji hromne kiseline (koncentracija Cr6+ preko 200 g/L, redoks potencijal preko +1.2 V u odnosu na SHE). Međutim, ovo je plemenita karakteristika koja čini titan katodnim za većinu drugih materijala uključujući olovo, nehrđajući čelik i ugljični čelik. Kada je u kontaktu sa ovim metalima, titanijum je zaštićen i metal u kontaktu trpi koroziju - suprotno od slane vode.

Problem nastaje za grijače od titanijuma kada lokalne varijacije u debljini ili sastavu površinskog oksida stvaraju galvanske ćelije između različitih područja iste titanijumske cijevi. Na primjer, pjeskarena površina ima ne-ujednačen mehanički oštećen oksidni sloj sa područjima napregnutog metala i ugrađenih abrazivnih čestica. Umjesto toga, glatka, hemijski ujednačena TiO2 ploča predstavlja poliranu površinu. U prisustvu lutajućih struja ili lokalnog gradijenta potencijala, manje zaštićena područja nehomogene površine mogu prvenstveno korodirati. Masivni titanijum je savršeno pasivan, ali ova samogalvanska korozija može probušiti zid grijača u servisu hromiranja za nekoliko mjeseci.

Stabilnost oksida i karakteristike završne obrade
Ukiseljene površine titanijuma se dobijaju uranjanjem u mešani rastvor kiseline, obično 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF na 30-50 stepeni u trajanju od 2-10 min. Kiseljenjem se uklanja alfa-sloj (površinski sloj kontaminiran kiseonikom koji se formira tokom vruće obrade ili žarenja) i rezultira ujednačeno ugrizanom mat sivom površinom sa kontrolisanom hrapavostom (Ra 0,8-1,6 µm). Pravilno ukiseljena površina titanijuma ima tanak (5-10 nm) oksidni premaz koji je stehiometrijski TiO2 i bez ugrađenih nečistoća. Ukiseljene površine imaju konstantan potencijal otvorenog kruga od +0.8 do +1.1 V u odnosu na SCE i gustinu pasivne struje od<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Polirane površine od titanijuma se mehanički bruse sve finijim abrazivima do zrcalne završne obrade (Ra 0,1–0,4 µm). Poliranjem se dobija veoma glatka površina sa gustim slojem oksida bez oštećenja. Međutim, mehaničko poliranje može izazvati zaostala tlačna naprezanja i može ugraditi sub{4}}mikronske abrazivne čestice (aluminij ili silicijum karbid) u površinu. Polirani titanijum u hromnoj kiselini pokazuje najplemenitije potencijale otvorenog -kola (+1.0 do +1.2 V u odnosu na SCE) i najniže gustine pasivne struje (ispod 0,005 mA/cm²). Polirani titanijum je veoma plemenit pa čini odličnu katodu kada je povezan sa drugim metalima. Međutim, homogenost površine polirane cijevi znači da je samogalvanska korozija između različitih dijelova cijevi niska.

Peskarene titanijumske površine se formiraju udarcem (aluminijum oksid, silicijum karbid ili staklene perle) abrazivnim medijem velikom brzinom. Pjeskarenje rezultira grubom i radnom{1}}kaljenom površinom (Ra 2,0-5,0 µm) sa ugrađenim abrazivnim fragmentima, pokidanim metalnim površinama i visoko deformiranim oksidnim slojem. Oksid na pjeskarenom titanu nije kontinuirani pasivni film već mješavina TiO_2, podoksida (TiO, Ti_2O_3) i golog titana na dnu udarnih kratera. Potencijali otvorenog kruga pjeskarenih površina u hromnoj kiselini uvelike variraju (-0,2 do +0.6 V u odnosu na SCE) u zavisnosti od stepena deformacije i medija zarobljenog u površini. Gustoća pasivne struje je često 10 do 100 puta veća od one na ukiseljenim ili poliranim površinama, što ukazuje da se aktivno otapanje događa na mjestima gdje oksidni film nije potpun.

Mjerenja gustoće galvanske struje
Elektrohemijsko ispitivanje kontrolisano ampermetrom nultog otpora (ZRA) omogućava kvantitativno poređenje galvanskih tendencija između različitih završnih obrada površine i u odnosu na druge metale. Mjerene su galvanske struje između uzoraka titanijuma (10 cm² površine) i drugih uobičajenih materijala rezervoara u uslovima hromirane kupke (250 g/L CrO₃, 2,5 g/L H₂SO₄, 60 stepeni):

Ukiseljeni titanijum spojen sa olovnim anodama (najčešći kontakt različitog metala u hromiranim rezervoarima) pokazuje gustinu galvanske struje od 0,02 mA/cm² na površini titanijuma – beznačajno i malo je verovatno da će izazvati primetan gubitak titana u periodu od pet godina. Polirani titanijum sa olovom daje 0,01 mA/cm2, takođe malo. Peskareni titanijum vezan za olovo, a titanijum je anoda, iznosi 0,25 mA/cm2. Gustoća struje se prevodi u stopu rastvaranja titana od oko 0,15 mm godišnje što je dovoljno da se zid cijevi od 1,65 mm istanji do perforacije za 5-7 godina.

Galvanska struja od 0,03 mA/cm2 se mjeri kada je ukiseljeni titanijum povezan na zidove rezervoara od nerđajućeg čelika (tip 316L). Titan je blago katodan (zaštićen), a nerđajući čelik anodičan. Polirani titan je davao 0,02 mA/cm2. Titanijum pjeskaren daje 0,08 mA/cm2, titanijum je anoda na lokalnim aktivnim mjestima i dolazi do napada tipa pitting-.

Najteže galvansko stanje za grijače od titana uzrokovano je lutajućim strujama ispravljača. Kada se slučajno poveže, pomoćna katoda grijača (npr. put uzemljenja koji završava krug do negativnog terminala ispravljača) uzrokuje razvijanje vodika na površini titanijuma. Evolucija vodonika na ukiseljenom titanijumu počinje na oko -0,6 V u odnosu na SCE i jaka je pri potencijalima ispod -0,8 V. Apsorbovani vodonik uzrokuje krhkost, ali ne i trenutni prodor u zid. Evolucija vodonika počinje pri manjem broju negativnih potencijala (-0,4 V u odnosu na SCE) za pjeskareni titanij i praćena je ljuštenjem deformisanog površinskog sloja, izlažući svježi titan koji brzo apsorbira vodonik. Za katodnu{11}}polarizaciju, hidridni slojevi se formiraju za 100 sati na pjeskarenim površinama, zatim pucaju i pucaju.

Matrica za odabir površine grijača za hromiranje
Sljedeća tabela je kompletan vodič za odabir na osnovu konfiguracije rezervoara, metode uzemljenja ispravljača i predviđenog vijeka trajanja grijača.

Konfiguracija rezervoara i radni uslovi Preporučeni Titanijum površinska završna obrada Debljina zida (mm) Opravdanje i očekivani radni vek
Instalacija izolovanog grijača Odvojeno uzemljenje za ispravljač Nema direktne električne veze sa anodama/katodama Pikirano (Normalno) 1,2-1,65 mm Pikirana površina daje stabilan pasivni film sa malo samogalvanske aktivnosti. Vijek trajanja je obično 5-8 godina.
Grijač sa prirubnicom na spremnik od nehrđajućeg čelika, zajedničko tlo sa ispravljačem za oblaganje. Veća plemenitost smanjuje zalutalu struju . 6-10 godina vijeka trajanja.
Grijač na istoj sabirnici kao i olovne anode (električno spojene) Polirana 1,65-2,0 mm Polirana površina je plemenita katoda, štiti grijač na račun vijeka trajanja anode; pogodan ako je predviđena potrošnja anode.
Spremnik za regulaciju slabe lutajuće struje Čest kontakt između grijača i obratka Pikirana + električna izolacija (PTFE čahure) 1,65 mm Završna obrada manje potrebna uz odgovarajuću izolaciju; kiselo je ekonomično; zamijenite ako ogrebotine otkriju goli metal.
Rezervoar za visoko mešanje sa maglom abrazivne hromne kiseline (potencijal erozije čestica) Pjeskaren (namjerno) 2,0 mm ili više Prihvatite smanjeni galvanski vijek (3-5 godina) za prianjanje premaza. Pjeskarenje je opravdano samo za mehaničko prianjanje premaza.
Retrofit rezervoara sa nepoznatim uslovima uzemljenja Polirana 1,65 mm Polirana površina nudi najveću marginu protiv galvanskog napada nepoznatih lutajućih struja. Provjerite nakon šest mjeseci.
Praktične implikacije za specifikaciju grijača
Kvalitet površine titanijumskog uranjajućeg grijača nije samo estetski faktor već faktor galvanske kompatibilnosti sa okruženjem hromiranog rezervoara. Ukiseljene završne obrade, uobičajene u industriji za većinu komponenti od titanijuma, adekvatne su za instalacije grijača koje su pravilno uzemljene i električno odvojene, i u kojima je jedina galvanska veza putem pasivnog kontakta sa kadom. Međutim, za grijače uzemljene s obloženim ispravljačima, za montažu prirubnica u kontaktu sa zidovima spremnika od nehrđajućeg čelika ili kada postoji strah od lutajućih struja, polirana završna obrada daje mjerljivo poboljšanje galvanske otpornosti. Veća plemenitost i prividna uniformnost poliranog titanijuma smanjuju pokretačku silu za galvansku spregu i broj aktivnih mesta za lokalizovani napad.

Izbjegavajte završne obrade pjeskarenim za hromiranje osim ako nije posebno potrebno za adheziju premaza (npr. PTFE premazi za smanjenje razvlačenja hromne kiseline-). Mehanička oštećenja i zarobljeni abrazivi rezultiraju ne-ujednačenom, elektrohemijski aktivnom površinom koja podržava galvanske struje 5-20 puta veće od ukiseljenih ili poliranih površina. Grijači od pjeskarenog titana u hromiranim kupatilima otkazali su zbog galvanske perforacije za samo 18 mjeseci, u poređenju sa 7-10 godina za polirane grijače u istom servisu.

Zaključak za inženjere za hromiranje
U slučaju naručivanja titanijumskih grejnih cevi za rezervoare za hromiranje koji rade na 60 stepeni i velike gustine struje, kada električna izolacija od kruga za polaganje možda nije osigurana, najbolji kvalitet površine za specifikaciju je poliran (završna obrada, Ra manji od ili jednak 0,4 µm). Pronađeni su najplemenitiji potencijali otvorenog kola poliranih površina, najniže pasivne struje i najbolja otpornost na dezintegraciju uzrokovanu lutajućim strujama. Ukiseljena završna obrada (Ra 0,8-1,6 µm) pruža jednak radni vijek uz smanjenu cijenu za potpuno izolovane sisteme grijača sa namjenskim putevima uzemljenja i bez kontakta sa anodama ili zidovima rezervoara. Završne obrade pjeskarene ne preporučuju se za primjenu hromiranja zbog njihove visoke galvanske aktivnosti i brze stope kvarova. Standardni komercijalni titanijumski grijači se obično isporučuju s promjenjivom završnom obradom (mlinsko žareni ili izvučeni) koja možda nije adekvatna za uslugu hromiranja. Inženjeri bi trebali posebno navesti završnu obradu površine u dokumentima nabavke. Specifikacija polirane površine dodaje 10-15% na cijenu grijača, ali pruža 50-100% produženje vijeka trajanja. Ovo je jedan od najpovoljnijih mogućih povrata ulaganja u odabir opreme za hromirane kade.