Какая титановая поверхность (травленная, полированная или подвергнутая пескоструйной обработке) лучше всего противостоит гальваническому воздействию для хромированных резервуаров, работающих при температуре 60 градусов и высокой плотности тока?

Хромированный бак создает очень агрессивную электрохимическую среду для погружного нагревательного оборудования. Ванна обычно содержит 250–400 г/л хромовой кислоты (CrO₃) с соотношением сульфатного катализатора 100:1, работает при температуре 55–65 градусов и подвергается воздействию тока высокой плотности (20–60 А/дм²) во время процессов нанесения покрытия. В этой сфере часто используются титановые нагревательные трубки из-за их устойчивости к окисляющей хромовой кислоте. Однако особый вид отказа, гальваническая атака, может возникнуть, когда поверхность титана подвергается воздействию блуждающих токов от гальванического выпрямителя или когда он образует локальные электрохимические ячейки с другими металлическими компонентами. Гальваническое воздействие на титановые нагреватели особенно чувствительно к качеству поверхности, используемой во время производства, в отличие от гомогенной коррозии или точечной коррозии. Травленая, полированная и пескоструйная обработка придает поверхности весьма разнообразные оксидные свойства, стабильность пассивной пленки и электрохимическую активность в растворах хромовой кислоты. В этой статье анализируется стойкость к гальванической коррозии каждой обработки поверхности титана в условиях хромирования и определяется, какое покрытие обеспечивает самый длительный срок службы, когда нагреватели должны работать с токами покрытия высокой плотности.

Гальванический механизм в хромовокислых средах
Описаны два механизма гальванической атаки титановых нагревательных трубок в резервуарах хромирования. Первый состоит из прямого электрического контакта между титаном и более катодным металлом, обычно анодом из свинца или свинцового сплава, используемым при хромировании, или стенками резервуара из нержавеющей стали. Когда эти разнородные металлы электрически соединяются электролитом ванны, титан становится анодом и растворяется с ускоренной скоростью. Второй механизм вызван блуждающими токами металлического выпрямителя. При хромировании используются катоды заготовки и свинцовые аноды. Любая неизолированная проводящая поверхность в резервуаре может улавливать блуждающий ток, что приводит либо к анодному растворению (если оно служит анодом), либо к выделению водорода и возможному охрупчиванию (если оно действует как катод). у хромовой кислоты титан не находится в том же положении гальванического ряда, что и в нейтральных или восстановительных средах. Титан имеет очень стабильную пассивную пленку и ведет себя как благородный металл (как платина в некоторых электрохимических измерениях) при окислении хромовой кислоты (концентрация Cr6+ более 200 г/л, окислительно-восстановительный потенциал более +1.2 В по сравнению с SHE). Однако это благородная характеристика, делающая титан катодным по отношению к большинству других материалов, включая свинец, нержавеющую сталь и углеродистую сталь. При контакте с этими металлами титан защищается, и контактирующий металл подвергается коррозии -, противоположной коррозии соленой воды.

Проблема возникает для титановых нагревателей, когда локальные изменения толщины или состава поверхностного оксида создают гальванические элементы между различными областями одной и той же титановой трубки. Например, пескоструйная поверхность имеет неоднородный-механически поврежденный оксидный слой с участками деформированного металла и вкраплениями абразивных частиц. Вместо этого гладкий, химически однородный лист TiO2 представляет собой полированную поверхность. При наличии блуждающих токов или локализованных градиентов потенциала преимущественно корродировать могут менее защищенные участки неоднородной поверхности. Массивный титан совершенно пассивен, но эта само-гальваническая коррозия может пробить стенку нагревателя при хромировании за считанные месяцы.

Стабильность оксида и характеристики отделки поверхности
Травленые поверхности титана получают путем погружения в смешанный кислотный раствор, обычно 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF, при температуре 30-50 градусов на 2-10 минут. Травление удаляет слой альфа-корпуса (поверхностный слой, загрязненный кислородом, образующийся во время горячей обработки или отжига), в результате чего образуется равномерно протравленная матово-серая поверхность с контролируемой шероховатостью (Ra 0,8-1,6 мкм). Правильно протравленная поверхность титана имеет тонкое (5-10 нм) оксидное покрытие, представляющее собой стехиометрический TiO2 и не содержащее въевшихся примесей. Травленые поверхности имеют постоянный потенциал холостого хода от +0.8 до +1.1 В относительно SCE и пассивную плотность тока<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Полированные титановые поверхности механически шлифуются более мелкими абразивами до зеркального блеска (Ra 0,1–0,4 мкм). Полировка позволяет получить очень гладкую поверхность с плотным и бездефектным оксидным слоем. Однако механическая полировка может вызвать остаточные сжимающие напряжения и привести к внедрению суб-абразивных частиц (оксида алюминия или карбида кремния) в поверхность. Полированный титан в хромовой кислоте демонстрирует наиболее благородные потенциалы разомкнутой цепи (от +1.0 до +1.2 В по сравнению с SCE) и самую низкую плотность пассивного тока (ниже 0,005 мА/см²). Полированный титан очень благороден, поэтому в сочетании с другими металлами из него получается отличный катод. Однако однородность поверхности полированной трубки означает, что само-гальваническая коррозия между различными частями трубки невелика.

Поверхности титана, подвергшиеся пескоструйной обработке, формируются путем воздействия абразивной среды (оксида алюминия, карбида кремния или стеклянных шариков) на высокой скорости. В результате пескоструйной обработки образуется шероховатая и-упрочненная поверхность (Ra 2,0-5,0 мкм) с вкраплениями абразивных фрагментов, рваными металлическими поверхностями и сильно деформированным оксидным слоем. Оксид на титане, обработанном пескоструйной обработкой, представляет собой не сплошную пассивную пленку, а смесь TiO_2, субоксидов (TiO, Ti_2O_3) и чистого титана на дне ударных кратеров. Потенциалы разомкнутой цепи поверхностей, обработанных пескоструйной обработкой, в хромовой кислоте сильно различаются (от -0,2 до +0.6 В по сравнению с SCE) в зависимости от степени деформации и среды, захваченной поверхностью. Плотность пассивного тока часто в 10–100 раз выше, чем на травленых или полированных поверхностях, что указывает на то, что активное растворение происходит в местах, где оксидная пленка не является полной.

Измерения плотности гальванического тока
Электрохимические испытания, контролируемые амперметром нулевого- сопротивления (ZRA), позволяют количественно сравнивать гальванические тенденции между различными видами отделки поверхности и с другими металлами. Гальванические токи измерялись между образцами титана (площадью 10 см²) и другими распространенными материалами резервуаров в условиях ванны хромирования (250 г/л CrO₃, 2,5 г/л H₂SO₄, 60 градусов):

Травленый титан, соединенный со свинцовыми анодами (наиболее распространенный контакт из разнородных металлов в хромированных резервуарах), демонстрирует плотность гальванического тока 0,02 мА/см² на поверхности титана – незначительная и вряд ли приведет к заметной потере титана в течение пятилетнего периода. Полированный титан со свинцом дает 0,01 мА/см2, тоже мало. Титан, подвергнутый пескоструйной обработке, соединенный со свинцом (титан является анодом), составляет 0,25 мА/см2. Плотность тока соответствует скорости растворения титана около 0,15 мм в год, чего достаточно, чтобы утончить стенку трубы толщиной 1,65 мм до перфорации за 5-7 лет.

Гальванический ток 0,03 мА/см2 измеряется при соединении травленого титана со стенками резервуара из нержавеющей стали (тип 316L). Титан является слегка катодным (защищенным), а нержавеющая сталь – анодным. Полированный титан давал 0,02 мА/см2. Титан, обработанный пескоструйной обработкой, дает ток 0,08 мА/см2, причем титан является анодом в локальных активных пятнах, и возникает коррозия -типа.

Наиболее тяжелые гальванические условия титановых нагревателей вызывают блуждающие токи выпрямителя. При случайном соединении вспомогательный катод нагревателя (например, заземляющий путь, замыкающий цепь отрицательного вывода выпрямителя) вызывает выделение водорода на поверхности титана. Выделение водорода на протравленном титане начинается примерно при -0,6 В относительно SCE и интенсивно при потенциалах ниже -0,8 В. Поглощенный водород вызывает охрупчивание, но не немедленное прокалывание стенки. Выделение водорода начинается при меньшем отрицательном потенциале (-0,4 В по сравнению с SCE) для титана, подвергнутого пескоструйной очистке, и сопровождается отслаиванием деформированного поверхностного слоя, обнажая свежий титан, который быстро поглощает водород. При катодной -поляризации гидридные слои образуются в течение 100 часов на пескоструйной обработке поверхностей, затем растрескиваются и отслаиваются.

Таблица выбора покрытия поверхности нагревателей с хромированием
Следующая таблица представляет собой полное руководство по выбору, основанное на конфигурации резервуара, методе заземления выпрямителя и прогнозируемом сроке службы нагревателя.

Конфигурация резервуара и условия эксплуатации Рекомендуемая титановая поверхность Толщина стенки (мм) Обоснование и ожидаемый срок службы
Установка изолированного нагревателя. Отдельное заземление для выпрямителя. Отсутствие прямого электрического подключения к анодам/катодам. Травленое (нормальное) 1,2-1,65 мм. Травленая поверхность образует стабильную пассивную пленку с небольшой собственной гальванической активностью. Срок службы обычно составляет 5-8 лет.
Нагреватель прифланцован к баку из нержавеющей стали, имеет общее заземление с покрытием выпрямителя. Полировка 1,5-1,65 мм. Гладкая поверхность снижает гальваническую связь с нержавеющей сталью; Повышенное благородство сокращает срок службы паразитного тока . 6-10 года.
Нагреватель на той же шине, что и свинцовые аноды (подключены электрически) Полированная 1,65-2,0 мм Полированная поверхность представляет собой благородный катод, защищающий нагреватель за счет срока службы анода; подходит, если предусмотрен расход анода.
Плохой резервуар для контроля паразитных токов. Частый контакт между нагревателем и заготовками. Травление + электрическая изоляция (втулки из ПТФЭ) 1,65 мм. При правильной изоляции обработка поверхности менее необходима; маринованный экономичен; замените, если в царапинах виден голый металл.
Резервуар с высокой степенью перемешивания с абразивным туманом хромовой кислоты (потенциал эрозии частиц)Пескоструйная обработка (преднамеренная) 2,0 мм или более Принимайте уменьшенный гальванический срок службы (3-5 лет) из-за прилипания покрытия. Пескоструйная обработка оправдана только для механического сцепления с покрытиями.
Модернизация бака с неизвестными условиями заземления. Полированная поверхность толщиной 1,65 мм обеспечивает максимальную защиту от гальванического воздействия неизвестных блуждающих токов. Проверьте через полгода.
Практические последствия для спецификации нагревателя
Качество поверхности титанового погружного нагревателя — это не только эстетический фактор, но и фактор гальванической совместимости с окружающей средой в хромировочном резервуаре. Травленая отделка, распространенная в промышленности для большинства титановых компонентов, подходит для нагревательных установок, которые должным образом заземлены и электрически изолированы и в которых единственное гальваническое соединение осуществляется через пассивный контакт с ванной. Однако для нагревателей, заземленных с помощью выпрямителей с металлическим покрытием, для монтажных фланцев, контактирующих со стенками резервуара из нержавеющей стали, или когда опасаются блуждающих токов, полированная отделка дает измеримое улучшение гальванического сопротивления. Более высокая благородность и кажущаяся однородность полированного титана уменьшают движущую силу гальванической связи и количество активных участков для локализованной атаки.

Избегайте пескоструйной обработки при хромировании, если это специально не требуется для адгезии покрытия (например, покрытия из ПТФЭ для уменьшения вытягивания хромовой кислоты-). Механические повреждения и захваченные абразивы приводят к образованию неоднородной-электрохимически активной поверхности, которая выдерживает гальванические токи в 5–20 раз выше, чем травленые или полированные поверхности. Нагреватели из подвергнутого пескоструйной обработке титана в хромированных ваннах вышли из строя из-за гальванической перфорации всего за 18 месяцев по сравнению с 7-10 годами для полированных нагревателей при той же эксплуатации.

Выводы для инженеров по хромированию
В случае заказа титановых нагревательных трубок для резервуаров хромирования, работающих при 60 градусах и высоких плотностях тока, когда электрическая изоляция от цепи покрытия не может быть обеспечена, лучшее качество поверхности, которое следует указать, - это полировка (зеркальная поверхность, Ra меньше или равна 0,4 мкм). Обнаружены наиболее благородные потенциалы холостого хода полированных поверхностей, наименьшие пассивные токи и лучшая устойчивость к распаду, вызванному блуждающими токами. Травленое покрытие (Ra 0,8-1,6 мкм) обеспечивает такой же срок службы при меньших затратах для полностью изолированных систем нагревателей с выделенными маршрутами заземления и без контакта с анодами или стенками резервуара. Пескоструйная обработка не рекомендуется для хромирования из-за их высокой гальванической активности и высокой частоты отказов. Стандартные коммерческие титановые нагреватели обычно поставляются с различной отделкой (отжиг или волочение), которая может быть неподходящей для хромирования. Инженеры должны указывать качество поверхности конкретно в закупочной документации. Полированная поверхность увеличивает стоимость обогревателя на 10–15 %, но обеспечивает увеличение срока службы на 50–100 %. Это один из самых выгодных вариантов окупаемости инвестиций в выбор хромированного оборудования для ванн.