У ванні для хімічного травлення, що містить плавикову та азотну кислоти, який сорт титану (або альтернативний метал) повинен замінити клас 2, щоб витримати більше 48 годин?
Залишити повідомлення
Ванни для хімічного травлення титану та нержавіючої сталі зазвичай містять суміш фтористоводневої кислоти (HF) і азотної кислоти (HNO₃). HF забезпечує агресивне розчинення неблагородних металів, тоді як HNO₃ діє як окислювач для контролю швидкості реакції та покращення якості поверхні. Загальною формулою є 10% HF + 20% HNO₃ у воді, що працює при 25–40 градусах. Титан класу 2, незважаючи на чудову корозійну стійкість у багатьох середовищах, швидко розчиняється в HF-розчинах. Іон фтору з’єднується з іонами титану і запобігає утворенню пасивної плівки. У типовій ванні для травлення титан класу 2 втрачає 0,5–1,0 мм товщини стінки на годину, що призводить до повної перфорації стандартної трубки діаметром 1,2 мм протягом 2–3 годин. Щоб витримати більше 48 годин сукупного впливу, потрібно вибрати інший матеріал-спеціальний титановий сплав або альтернативний метал-.
Механізм швидкої атаки титану 2 класу в сумішах HF/HNO₃
У розчинах, що містять HF-, пасивна плівка TiO₂ розчиняється миттєво: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Без захисної плівки титановий метал піддається активній корозії. Азотна кислота в суміші не репасивує титан, оскільки іони фтору постійно видаляють будь-який оксид, що утворюється. Реакція корозії рівномірна та швидка: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Реакцію виділення водню також прискорює HF. Результатом є лінійна швидкість втрати матеріалу без інкубаційного періоду. Титан Grade 2, Grade 7 і Grade 12 містить титан як основний метал, тому всі вони зазнають однакової швидкості атаки в сумішах HF/HNO₃.
Ефективність альтернативних марок титану в HF/HNO₃
Контрольоване занурення в 10% HF + 20% HNO₃ при 30 градусах показало такі швидкості корозії:
2 сорт (технічно чистий): Швидкість корозії 0,8 мм на годину. 1.2 мм трубка перфорована за 1,5 години. Не підходить крім одноразових-нагрівачів.
7 клас (Ti-0,15Pd): Швидкість корозії 0,7 мм на годину. Паладій не дає ніякої користі, тому що каталіз благородних металів вимагає непошкодженої пасивної плівки, якої немає. Подібно до 2 класу.
Клас 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Швидкість корозії 0,6 мм на годину. Додавання молібдену та нікелю забезпечує незначне покращення, але недостатнє для 48-годинного виживання.
5 клас (Ti-6Al-4V): Швидкість корозії 0,5 мм на годину. Альфа-бета-мікроструктура переважно розчиняється на межі бета-фаз, що призводить до міжзернової атаки. Не рекомендується.
Вибір альтернативного металу для обслуговування HF/HNO₃
У наступній таблиці наведено порівняння альтернативних металів, які можуть витримувати 48 годин або більше в травильних ваннах HF/HNO₃:
| Метал або сплав | Швидкість корозії в 10% HF+20% HNO₃ при 30 градусах (мм/рік) | Час проникнення в стінку товщиною 1,5 мм | Максимальна безпечна робота HF% | Індекс вартості (клас 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Тантал (нелегований) | 0,05 мм/рік | 30,000+ годин (3.4+ років) | До 60% HF | 15–20 |
| Цирконій (R60702) | 0,08 мм/рік | 18 750 годин (2,1 року) | До 50% HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 мм/рік | 1,25 години (75 хвилин) | Не рекомендується | 3–4 |
| Чавун з-високим вмістом кремнію (Duriron) | 0,3 мм/рік | 5000 годин (7 місяців) | До 15% HF | 2–3 |
| PTFE (полімер, не метал) | 0,00 мм/рік (хімічно інертний) | Необмежений (межі механічної міцності) | Будь-який | 1,5–2 (з металевою опорою) |
| Покритий танталом-титан | Те саме, що тантал (0,05 мм/рік) | 30,000+ годин | До 60% HF | 10–12 |
Практичний посібник із вибору для 48-годинного виживання
Для нагрівача, який повинен витримати 48 загальних годин занурення у ванну для травлення HF/HNO₃, матеріал повинен мати швидкість корозії нижче приблизно 0,03 мм на годину (0,03 мм/год × 48 год=1.44 мм проникнення). Тільки тантал, цирконій і PTFE відповідають цій вимозі:
тантал: Найкраща загальна стійкість до корозії. Утворює стабільну плівку Ta₂O₅, яка протистоїть HF до концентрацій 60% нижче 50 градусів. Максимальна робоча температура 150 градусів. Висока вартість, але забезпечує десятиліття служби. Піддається зварюванню та виготовленню.
Цирконій: Чудова альтернатива з меншою ціною. Стійкий до HF, утворюючи плівку ZrO₂, яка є більш стабільною, ніж TiO₂ у фтористих середовищах. Максимальна концентрація HF 50% при 30 градусах. Сприйнятливий до утворення точок, якщо концентрація азотної кислоти падає нижче 10%.
PTFE (політетрафторетилен): Хімічно інертний до сумішей HF/HNO₃. Використовується як вкладиш над металевою підкладкою (зазвичай з вуглецевої сталі або титану для структурної підтримки). Максимальна робоча температура 200 градусів. Теплопровідність дуже низька (0,25 Вт/м·K проти . 21 Вт/м·K для титану), тому обігрівачі потребують набагато більшої площі поверхні.
Складання обґрунтованої специфікації
Вибираючи нагрівач для ванни для травлення HF/HNO₃, яка потребує тривалості роботи понад 48 годин, не вибирайте жодного сорту титану. 2-й, 7-й та 12-й класи виявляються невдалими протягом кількох годин. Для застосувань, де вартість має другорядне значення, а надійність має першорядне значення, вибирайте занурювальний нагрівач з твердого танталу. Для більш чутливих до витрат-застосунків вибирайте цирконієвий нагрівач із товщиною стінки мінімум 2,0 мм. Для найдешевшого варіанту, який все ще забезпечує 48-годинну витривалість, виберіть титановий нагрівач із PTFE оболонкою, де PTFE забезпечує хімічну стійкість (товщина 0,5–1,0 мм), а титан забезпечує структурну підтримку. Вимагайте від постачальника сертифікати випробувань на корозію щодо конкретного співвідношення HF/HNO₃ і температури передбачуваної ванни. Під час роботи щоденно контролювати концентрацію HF; підвищення вище 15% HF збільшує швидкість корозії цирконію в 10 разів. Вибираючи альтернативний метал, а не намагаючись модифікувати марки титану, інженер забезпечує надійну роботу нагрівача в одному з небагатьох середовищ, де титан принципово непридатний.
