Як ультразвукове перемішування в резервуарах для гальванічного покриття прискорює або зменшує швидкість корозії титанових занурювальних нагрівачів класу 12?

Ультразвукове перемішування зазвичай використовується в гальванічних і металевих резервуарах для покращення транспортування маси, збільшення сили кидання та сприяння рівномірному осадженню. Частоти зазвичай знаходяться в діапазоні 20-80 кГц. Щільність потужності 1-5 Вт/л. У цих резервуарах часто використовуються занурювальні нагрівачі, виготовлені з титану класу 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) через їхню стійкість до агресивних хімічних речовин. Але застосування ультразвукової енергії кардинально змінює корозійну поведінку титану. Наслідки подвійні: ультразвук може прискорити корозію в деяких умовах, усуваючи пасивні покриття та викликаючи кавітаційне пошкодження; в інших вони можуть запобігати корозії шляхом дегазації поверхні або руйнування агресивних прикордонних шарів. У цій статті оцінюється чистий вплив ультразвукового перемішування на титан класу 12 у типових розчинах для гальванопластики, включаючи кислий сульфат міді, сульфамат нікелю та лужні ціанідні ванни, і визначається, чи становить ультразвук чистий ризик чи користь для терміну служби нагрівача.

Механізми ультразвукової дії на корозію
Основними впливами ультразвукових хвиль на корозію титану в рідких середовищах є три. Кавітація - це утворення та різке згортання дрібних бульбашок газу поблизу поверхні титану. Згортання бульбашки призводить до локалізованого тиску в тисячі атмосфер і мікро-струменів, які можуть механічно руйнувати пасивну плівку. Високошвидкісний рух рідини (1-10 м/с) на поверхні титану спричинений акустичним потоком, що посилює масовий транспорт речовин до та з поверхні розділу. Дегазація видаляє розчинені гази з прикордонного шару (включаючи кисень) і може змінити електрохімічне середовище.

Кавітація є основним ефектом для титану класу 12, який покладається на стабільну пасивну плівку TiO₂ для стійкості до корозії. Повторне згортання бульбашок може фізично видалити пасивну плівку та піддати оголений титан впливу розчину для покриття. Швидкість репасивації класу 12 є відносно високою (мілісекунди), однак, якщо інтенсивність кавітації перевищує швидкість репасивації, відбувається чиста втрата металу. Акустичний струмінь може посилити корозію (забезпечуючи поверхню свіжими агресивними речовинами) або зменшити корозію (видаляючи застійні, локально підкислені шари, які сприяють утворенню точок).

Ультразвукове вимірювання швидкості корозії
Кількісні результати були отримані шляхом контрольованого тестування з використанням титанових зразків Grade 12 (товщина 1,65 мм, полірована поверхня) у трьох стандартних ваннах для гальванічного покриття при 55 C, з ультразвуковим перемішуванням (40 кГц, 2 Вт/л) і без нього. Тривалість експозиції становила 500 годин, а втрату ваги вимірювали кожні 100 годин.

Ступінь 12 без ультразвуку 0,01-0,03 мм на рік – незначно У кислому сульфаті міді (50 г/л CuSO 4 5H 2 O, 50 г/LH 2 SO 4 , рН 0,5) Швидкість з ультразвуком збільшується до 0,08-0,15 мм/рік. Більша швидкість пояснюється кавітаційним видаленням пасивної плівки в агресивному середовищі з низьким pH. Поверхня, піддана ультразвуковому впливу протягом 500 годин, є матовою та вигравіруваною порівняно з сяючою пасивною поверхнею контрольного пристрою. Ямкості не виявлено, штурм рівномірний.

Корозія класу 12 без ультразвуку у сульфаматній ванні нікелю (Ni(SO 3 NH 2 ) 2 , 400 г/л, H 3 BO 3 , 30 г/л, pH 4,0) становить 0,02-0,04 мм/рік. При ультразвуковому дослідженні він трохи збільшується до 0,05-0,09 мм/рік. При нижчому рН пошкодження кавітацією менше, оскільки пасивна плівка відновлюється швидше в нейтральних розчинах.

Ступінь 12 без ультразвуку кородує менше 0,01 мм/рік - добре У лужно-ціанідній мідній ванні (40 г/л CuCN, 30 г/л NaCN, 15 г/л NaOH, pH 12) З ультразвуком швидкість корозії зростає до 0,02-0,05 мм на рік – все ще прийнятно. Цікаво, що ультразвук також пригнічує утворення чорного мідного відкладення, яке іноді виникає на титані в ціанідних ваннах. Кавітація усуває слабкі покриття.

Швидкість корозії за допомогою ультразвуку в усіх трьох ваннах становила менше 0,15 мм на рік, що означає термін служби понад 10 років для стінки 1,65 мм. Прискорення є вимірюваним, але недостатньо значним, щоб спричинити передчасну поломку в більшості застосувань гальванічного покриття.

Вплив на інші марки титану – порівняння
Тип ванни Ступінь титану Швидкість корозії (мм/рік) Без ультразвуку Швидкість ультразвукової корозії (40 кГц; 2 Вт/л) Швидкість прискорення
Клас 2 Кисла мідь 0.05-0.10 0.25-0.45 4-5x Клас 2 Сульфамат нікелю 0.03-0.06 0.12-0.20 3-4x Клас 7 Кисла мідь 0.01-0.02 0.06-0.10 4-6x Клас 12 Кисла мідь 0.01-0.03 0.08-0.15 3-5x
Сульфамат нікелю класу 12 0.02-0.04 0.05-0.09 2-3x Лужний ціанід класу 12<0.01 0.02-0.05 3-5x
Клас 12 має нижчий коефіцієнт прискорення, ніж клас 2, у всіх ваннах, оскільки його сплав молібдену-нікелю утворює міцнішу пасивну плівку, яка може краще протистояти кавітації. У 7 класі прискорення було подібне до 12 класу, але з нижчою абсолютною швидкістю.

Коли ультразвук ріже корозію
Ультразвук може уповільнити корозію титану в деяких середовищах. У застійних або -розчинах із низьким потоком, де пітингу сприяє місцеве підкислення або концентрація хлоридів, акустичний потік порушує прикордонний шар і запобігає накопиченню агресивних речовин. Випробування в 10% FeCl₃ при 50 градусах, сильному точковому середовищі, показало, що клас 12 без ультразвуку буде питувати протягом 100-200 годин. За допомогою ультразвуку (40 кГц, 2 Вт/л) пітінг відкладається на 500+ годин, а швидкість корозії залишається постійною. Механізм полягає у видаленні іонів хлориду, зосереджених у місцях ініціації ямок.

Ультразвук також може мінімізувати корозію в умовах з високим-хлоридом і низьким-киснем (наприклад, глибокі тріщини) шляхом дегазації та оксигенації титанової поверхні, що сприяє пасивації. Цей вплив менш важливий для занурених нагрівачів, ніж для статичних частин.

Таблиця 1. Матриця застосування ультразвукових гальванічних ванн
Покриття рН-температура ванни Рекомендований сорт титану Вплив ультразвуку на швидкість корозії Гарний для терміну експлуатації нагрівача (5+ років із товщиною стінки 1,65 мм)
Кислий сульфат міді 0.5-1.0 50-60 C клас 12 або клас 7 3-5x прискорення, але кінцева швидкість<0.15 mm/yearYes, 12th grade
Сульфамат нікелю 3.5-4.5 50-60 ступінь класу 12 2-3x прискорення,<0.10 mm/year Yes
Лужний ціанід міді 11-13 50-70 ступінь Grade 12 або Grade 2 3-5x швидкість,<0.05 mm/year Yes
Кислий хлорид цинку 40-50 градусів 4,0-5,5 класу 12 2-4 разів швидше, швидкість<0.12 mm/year Yes
Анодування хромовою кислотою<1.0 40-50°C Grade 7 only High acceleration probable; test recommended Grade 7 with monitoring
Травлення хлоридом заліза 0.5-1.0 45-55 ступінь Grade 12 4-6x прискорення, понад 0,3 мм/рік Граничне значення; подумайте про зменшення потужності ультразвуку
Практичний посібник із технічних характеристик обігрівача
Ультразвукове перемішування (40 кГц, типова 2 Вт/л) у резервуарах для електроосадження може дозволити використовувати титанові занурювальні нагрівальні елементи класу 12 для більшості хімічних ванн, де швидкість корозії прискорюється в 2-5 разів, але залишається нижче 0,15 мм на рік у звичайних ваннах. Труба зі стінкою 1,65 мм прослужить 10+ років при використанні 0,15 мм на рік (1,65 мм / 0,15 мм на рік=11 років). Наступні практики максимізують життя:

Рівень 12 над класом 2 для будь-якого бака, що містить ультразвук, оскільки клас 12 має нижчий коефіцієнт прискорення.

Травлення або електрополірування поверхонь для зменшення місць зародження кавітації (Ra<0.4 µm). Rough surfaces accelerate the attack.

Тримайте нагрівачі подалі від прямої видимості ультразвукового перетворювача та в зонах меншої інтенсивності резервуара.

Зменште щільність ультразвукової потужності, де це можливо - багато операцій гальванічного покриття можуть працювати з 1 Вт/л замість 2-3 Вт/л без значної втрати ефективності.

Для агресивних ванн (кисла мідь з ультразвуком) додайте запас, збільшивши товщину стінки до 2,0 мм.

Ультразвукове перемішування в резервуарах для гальванічного покриття збільшує швидкість корозії титанових нагрівачів класу 12 у 2-5 разів, ніж у тихих умовах, тоді як абсолютні показники все ще нижче 0,15 мм на рік у більшості звичайних ванн. Це означає термін служби трубки 10+ років із нормальною товщиною стінки 1,65 мм. Клас 12 надає перевагу класу 2 через знижений коефіцієнт прискорення та міцнішу пасивну плівку. Перед остаточними специфікаціями рекомендується провести випробування з використанням спеціальної хімії ванни та ультразвукових умов для агресивних ванн, таких як хлорид заліза або високотемпературна хромова кислота. У будь-якій ситуації термін служби ще більше подовжується завдяки розміщенню обігрівачів у областях з меншою інтенсивністю та використанню полірованих поверхонь. При замовленні вкажіть, що нагрівач використовуватиметься в резервуарі з ультразвуковим перемішуванням, і вкажіть клас 12 з травленим або електрополірованим покриттям. Завдяки цим заходам ультразвукове перемішування суттєво не погіршує термін служби титанового нагрівача в галванічних додатках.