Почему на линии нанесения твердого хрома (хромовая кислота 250 г/л, 60 градусов) титановая оболочка с несколько более шероховатой поверхностью (3,2 мкм Ra) превосходит зеркальную-финишную с точки зрения устойчивости к адгезии к хроматным отложениям?

Фундаментальный компромисс-в титановой отделке поверхности с твердым хромированием
Ванны для твердого хромирования содержат 250 г/л хромовой кислоты (CrO3) с сульфатными катализаторами при температуре 60 градусов. Титановые погружные нагреватели широко распространены из-за их хорошей коррозионной стойкости к окисляющей хромовой кислоте. Однако отложения хромата (основной хромат хрома и соединения хрома (III)) осаждаются на поверхностях нагревателя и образуют изолирующие слои, которые ограничивают теплопередачу и вызывают локальный перегрев. На основе опыта работы на производственных линиях нанесения покрытий было обнаружено, что титановые оболочки, имеющие несколько шероховатую поверхность (Ra ≈ 3,2 мкм), превосходят оболочки с зеркальной -отделкой (Ra < 0,2 мкм) по устойчивости к образованию-налипших хроматных отложений. Этот неожиданный результат является следствием механики адгезии отложений, когда гладкие поверхности имеют тенденцию поддерживать прочную химическую связь, а умеренно шероховатые поверхности имеют тенденцию обеспечивать слабый механический интерфейс, где отложения отслаиваются во время циклического нагрева. Исследование охватывает механизм и предлагает обработку поверхности для твердого хромирования.

Влияние механизмов адгезии отложений на механическую целостность
Хроматные отложения образуются на поверхности титана по механизму осаждения: Cr(VI) в растворе восстанавливается до Cr(III) на горячей поверхности оболочки с образованием студенистого гидроксида хрома, который дегидратируется до прилипшего оксида. На титановой поверхности с зеркальной отделкой (Ra меньше или равно 0,2 мкм) граница раздела между осадком и титаном практически идеальна. Силы Ван-дер-Ваальса и химическая связь между ними обеспечивают высокую прочность сцепления. Слой стойко противостоит удалению при циклическом изменении температуры, потоке жидкости или нежном чистке щеткой. Отложение утолщает и изолирует оболочку, повышая температуру поверхности оболочки и способствуя дополнительному осаждению. На несколько шероховатой поверхности (Ra= 2.5-4.0 мкм) осадок механически сцепляется с неровностями, но не образует столь прочной химической связи, поскольку пики шероховатостей преимущественно окисляются. Что еще более важно, разница в термическом расширении отложений хромата (коэффициент=5-6 x 10 -6/градус) и титана (8,6 x 10 -6/градус) создает силы сдвига на границе раздела. На шероховатой поверхности эти давления концентрируются у основания впадин шероховатости, что приводит к отслаиванию осадка мелкими чешуйками вместо образования толстого сплошного слоя. Полевые данные линий твердого хромирования показывают, что поверхности нагревателей остаются чистыми, имея отложения толщиной всего 0,1–0,2 мм после 1000 часов работы с Ra 3,2 мкм, в то время как нагреватели с зеркальной -отделкой за это же время покрываются стойким отложениями толщиной 0,8–1,2 мм.

Влияние на тепловые характеристики: эффект самоочистки-
Слегка шероховатая поверхность обеспечивает-термический цикл самоочистки. Титановая оболочка расширяется и сжимается во время типичных циклов включения-выключения нагревателя (например, при регулировании температуры ванны). Шероховатая поверхность представляет собой последовательность концентраторов напряжений на контакте с осажденным -титаном. Исследование методом конечных элементов показывает, что межфазное напряжение сдвига на вершинах поверхности Ra=3.2 мкм примерно в 3 раза выше, чем на поверхности Ra=0.2 мкм при том же ΔT. Это напряжение превышает прочность сцепления хроматного покрытия и вызывает микро-раскол. Отколовшиеся частицы попадают в ванну и отфильтровываются. Слегка шероховатая поверхность вызывает незначительные тепловые потери; фактическая площадь поверхности всего на 5–10% больше, чем у полированной поверхности, а на конвективный пограничный слой (толщиной обычно 50–100 мкм) не влияет шероховатость ниже Ra=10 мкм. Коэффициенты теплопередачи практически одинаковы.

Компромиссный синтез:-чистота поверхности или образование отложений-
Шероховатость поверхности Ra (мкм) Адгезионная прочность отложения Толщина отложения через 1000 часов (мм) Твердый хром – необходимая частота очистки Рекомендуется?
Электрополировка (зеркальная полировка) 0,1–0,2Очень высокая (химическая связь) 0,8–1,2 мм Еженедельно (погружение в кислоту)Нет – стойкое отложение
Механическая полировка (зернистость 600) 0,3–0,5Высокая 0,5–0,8 мм Каждые две недели Край
При вытяжке-(чистовая обработка) 1,2–1,8 Умеренная 0,3–0,5 мм Ежемесячно приемлемо
Мелкие стеклянные шарики, прошедшие пескоструйную обработку2,5–3,5 Низкая (легко раскалывается) 0,1–0,2 мм Ежеквартально или дольше Да – оптимально
Пескоструйная обработка (грубый глинозем) 5,0–7,0 Очень низкая < 0,1 мм Редко Приемлемо, но может улавливать загрязняющие вещества
Струйная обработка и технология последующей обработки за пределами отделки
При тяжелом хромировании мелкоструйная очистка стеклянными шариками (шарики размером 50–100 мкм при давлении 2–3 бара) дает оптимальный Ra 2,5–3,5 мкм без вкраплений примесей. Струйная очистка глинозема не рекомендуется, поскольку внедренные частицы оксида алюминия могут служить гальваническими площадками. Пассивация азотной кислотой (20% HNO3 при 50 градусах в течение 20 минут) удаляет любое внедренное железо или хром из абразивоструйного материала и восстанавливает пассивную пленку после абразивоструйной обработки. Не протирайте и не полируйте обработанную поверхность после пескоструйной обработки, так как это оставляет пятна на поверхности и снижает эффективность самоочистки.

Заключение: Поверхность шероховатая (Ra ~ 3,2 мкм). Обеспечивает преимущество само-очистки
На линии твердого хромирования с использованием хромовой кислоты с концентрацией 250 г/л при 60 градусах титановая оболочка с несколько более шероховатой поверхностью (Ra ≈ 3,2 мкм, полученная тонкоструйной обработкой стеклянными шариками) предпочтительнее оболочки с зеркальной -отделкой, поскольку шероховатая поверхность облегчает отслаивание хроматных отложений при термоциклировании. Слабый механический интерфейс в сочетании с концентрированными термическими напряжениями сдвига приводит к отслаиванию отложений до того, как они достигнут изолирующей толщины. Зеркальная-поверхность способствует прочному химическому соединению, которое приводит к быстрому накоплению отложений, вызывающему перегрев и необходимость регулярной очистки. Предлагаемая спецификация нагревателей твердого хромирования представляет собой титановую оболочку с пескоструйной полировкой поверхности Ra= 2.5–3,5 мкм и последующей пассивацией азотной кислотой. Сообщите производителю, сколько термоциклов (циклов включения-выключения в день) вы ожидаете, и убедитесь, что система само-очистки работает. Толщина стенки (обычно 1,2-1,5 мм) подбирается индивидуально в зависимости от давления и требований к эксплуатации. Толщина не влияет на адгезию отложений.