כיצד תסיסה אולטרסאונד במיכלי ציפוי מאיץ או מפחית את קצב הקורוזיה של מחממי טבילה טיטניום דרגה 12?

תסיסה אולטראסונית משמשת בדרך כלל במיכלי ציפוי וגימור מתכת כדי לשפר את הובלת המונים, להגביר את כוח ההטלה ולקדם שיקוע אחיד. התדרים הם בדרך כלל בטווח של 20-80 קילו-הרץ. צפיפות הספק היא 1-5 W/L. מיכלים אלה משתמשים לעתים קרובות בתנורי טבילה העשויים מדרגת טיטניום 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) בשל העמידות שלהם בפני כימיות ציפוי קשות. אבל היישום של אנרגיה קולית משנה את התנהגות הקורוזיה של טיטניום באופן מהותי. ההשלכות הן כפולות: אולטרסאונד יכול להאיץ קורוזיה בהגדרות מסוימות על ידי ביטול ציפויים פסיביים והשראת נזק לקוויטציה; באחרים הם עשויים למנוע קורוזיה על ידי הסרת גז של פני השטח או פירוק שכבות גבול אגרסיביות. מאמר זה מעריך את ההשפעה נטו של ערבול קולי על טיטניום דרגה 12 בפתרונות ציפוי אלקטרוניים טיפוסיים, כולל אמבטיות נחושת סולפט חומצי, ניקל סולפאמט ואמבטיות ציאניד אלקליין, וקובע אם אולטרסאונד מהווה סיכון או תועלת נטו לחיי המחמם.

מנגנונים של פעולה אולטרסאונד על קורוזיה
ההשפעות העיקריות של גלים קוליים בעלי עניין עבור קורוזיה טיטניום במדיה נוזלית הן שלוש. קאוויטציה היא ייצור וקריסה פתאומית של בועות גז קטנות בקרבת משטח טיטניום. קריסת הבועות גורמת ללחצים מקומיים של אלפי אטמוספרות וסילוני מיקרו- שיכולים להרוס באופן מכני את הסרט הפסיבי. תנועת נוזלים במהירות גבוהה (1-10 מ' לשנייה) על פני הטיטניום נגרמת על ידי זרימה אקוסטית המשפרת את ההובלה ההמונית של מינים אל הממשק וממנו. הסרת הגזים מסירה גזים מומסים משכבת ​​הגבול (כולל חמצן) ויכולה לשנות את הסביבה האלקטרוכימית.

קאוויטציה היא האפקט העיקרי של טיטניום דרגה 12, בהסתמך על הסרט הפסיבי TiO₂ היציב לעמידות בפני קורוזיה. התמוטטות בועות חוזרת יכולה להסיר פיזית את הסרט הפסיבי ולחשוף טיטניום חשוף לתמיסת הציפוי. קצב ה-repassivation של דרגה 12 הוא מהיר יחסית (מילישניות), אולם אם עוצמת הקוויטציה עולה על קצב ה-repassivation, מתרחש אובדן מתכת נטו. זרימה אקוסטית יכולה לשפר את הקורוזיה (על ידי אספקת מינים אגרסיביים טריים לפני השטח) או להפחית קורוזיה (על ידי הסרת שכבות עומדות, מחומצות מקומית, המעודדות בור).

מדידה על-קולית של שיעורי קורוזיה
תוצאות כמותיות התקבלו באמצעות בדיקה מבוקרת באמצעות קופוני טיטניום דרגה 12 (עובי 1.65 מ"מ, משטח מלוטש) בשלוש אמבטיות ציפוי סטנדרטיות ב-55 C, עם ובלי ערבול קולי (40 קילו-הרץ, 2 ואט/ליטר). אורך החשיפה היה 500 שעות, והירידה במשקל נמדדה כל 100 שעות.

דרגה 12 ללא אולטרסאונד 0.01-0.03 מ"מ לשנה זניח באמבט חומצי נחושת סולפט (50 גרם/ליטר CuSO 4 5H 2 O, 50 גרם/LH 2 SO 4, pH0.5) הקצב עם אולטרסאונד גדל ל-0.08 מ"מ/שנה. השיעור הגבוה יותר מיוחס להסרת הקוויטציה של הסרט הפסיבי בסביבת ה-pH הנמוכה העוינת. המשטח שנחשף באולטרסאונד למשך 500 שעות הוא מט וחרוט בהשוואה למשטח הפאסיבי המבריק של הפקד. לא זוהה בור, תקיפה אחידה.

קורוזיה של דרגה 12 ללא אולטרסאונד באמבט ניקל סולפאמט (Ni(SO 3 NH 2 ) 2 , 400 גרם/ליטר, H 3 BO 3, 30 גרם/ליטר, pH 4.0) היא 0.02-0.04 מ"מ לשנה. עם אולטרסאונד זה עולה מעט ל-0.05-0.09 מ"מ/שנה. ב-pH נמוך יותר, נזקי הקוויטציה פחותים מכיוון שהסרט הפסיבי מתבסס מהר יותר בתמיסות ניטרליות.

דרגה 12 ללא קולי קורוזיה פחות מ-0.01 מ"מ לשנה - טוב באמבט נחושת ציאניד אלקליין (40 גרם/ליטר CuCN, 30 גרם/ליטר NaCN, 15 גרם/ליטר NaOH, pH 12) עם אולטרסאונד קצב הקורוזיה עולה ל-0.02-0.05 מ"מ בכל שנה - עדיין מקובל. באופן מעניין, אולטרסאונד גם מעכב את הייצור של מרבץ נחושת שחור, המתרחש לפעמים על טיטניום באמבטיות ציאניד. Cavitation מבטל ציפויים הנדבקים בצורה רופפת.

קצב הקורוזיה עם אולטרסאונד בכל שלושת האמבטיות היה פחות מ-0.15 מ"מ בשנה, מה שמתורגם לחיים של יותר מ-10 שנים לקיר של 1.65 מ"מ. התאוצה ניתנת למדידה אך אינה משמעותית מספיק כדי לגרום לכשל בטרם עת ברוב יישומי הציפוי האלקטרוניים.

השפעה על דרגות טיטניום אחרות - השוואתי
סוג האמבטיה דרגת קורוזיה טיטניום קצב קורוזיה (מ"מ/שנה) ללא אולטרסאונד קצב קורוזיה אולטרה-סוני (40 קילו-הרץ; 2 W/L) קצב האצה
נחושת חומצית דרגה 2 0.05-0.10 0.25-0.45 4-5x דרגה 2 ניקל סולפאמט 0.03-0.06 0.12-0.20 3-4x נחושת חומצית דרגה 7 0.01-0.02 0.06-0.10 4-6x נחושת חומצית דרגה 12 0.01-0.03 0.08-0.15 3-5x
ניקל סולפאמט דרגה 12 0.02-0.04 0.05-0.09 2-3x ציאניד אלקליין דרגה 12<0.01 0.02-0.05 3-5x
לדרגה 12 יש מקדם תאוצה נמוך יותר מדרגה 2 בכל האמבטיות, מכיוון שסגסוגת הניקל המוליבדנו- שלו יוצר סרט פסיבי חזק יותר שיכול להתנגד טוב יותר לקוויטציה. לכיתה ז' הייתה תאוצה דומה לכיתה י"ב, אם כי בשיעור מוחלט נמוך יותר.

אולטרסאונד יכול להאט את קורוזיה של טיטניום בסביבות מסוימות. בתמיסות זרימה עומדות או נמוכות- שבהן מקל על החמצה המקומית או ריכוז כלוריד, זרימה אקוסטית משבשת את שכבת הגבול ומונעת הצטברות של מינים אגרסיביים. בדיקה ב-10% FeCl₃ ב-50 מעלות, סביבת חריפות חזקה, הראתה שדרגה 12 ללא אולטרסאונד יתפרץ תוך 100-200 שעות. עם אולטרסאונד (40 קילו-הרץ, 2 ואט/ליטר) נדחה פיתול ל-500+ שעות וקצב הקורוזיה עקבי. המנגנון הוא סילוק יוני כלוריד המרוכזים באתרי התחלת הבור.

אולטרסאונד יכול גם למזער קורוזיה בתנאים גבוהים של-כלוריד,-נמוכים (למשל סדקים עמוקים) על ידי הסרת גז וחמצן של משטח הטיטניום, מה שמקדם פאסיביות. השפעה זו חשובה פחות עבור מחממי טבילה מאשר חלקים סטטיים.

טבלה 1. מטריצת יישום של אמבטיות האלקטרוקוליות
ציפוי אמבט טמפרטורת pH מומלצת השפעת אולטרסאונד בדרגת טיטניום על קצב קורוזיה טוב לחיי המחמם (5+ שנים עם עובי דופן של 1.65 מ"מ)
חומצת נחושת גופרתית 0.5-1.0 50-60 C דרגה 12 או דרגה 7 3-5x תאוצה, אבל קצב סופי<0.15 mm/yearYes, 12th grade
ניקל סולפאמט 3.5-4.5 50-60 תאוצה דרגה 12 2-3x,<0.10 mm/year Yes
ציאניד נחושת אלקליין 11-13 50-70 דרגה דרגה 12 או דרגה 2 3-5x מהירות,<0.05 mm/year Yes
אבץ כלוריד חומצי 40-50 מעלות 4.0-5.5 כיתה פי 12 2-4 מהר יותר, מהירות<0.12 mm/year Yes
אילגון חומצה כרומית<1.0 40-50°C Grade 7 only High acceleration probable; test recommended Grade 7 with monitoring
תחריט כלוריד ברזל 0.5-1.0 45-55 תאוצה דרגה 12 4-6x, מעל 0.3 מ"מ/שנה שולי; שקול להפחית את העוצמה האולטראסונית
מדריך מעשי למפרטי מחמם
ערבול אולטראסוני (40 קילו-הרץ, טיפוסי 2 ואט/ליטר) במיכלי פיזור אלקטרודה יכול לאפשר שימוש באלמנטים של תנור טבילה טיטניום דרגה 12 עבור רוב כימי האמבטיה, שבהם קצבי הקורוזיה מואצים בפקטור של 2-5 אך נשארים מתחת ל-0.15 מ"מ בשנה באמבטיות נפוצות. צינור קיר בגודל 1.65 מ"מ יחזיק מעמד 10+ שנים @ .15 מ"מ בשנה בשימוש (1.65 מ"מ /.15 מ"מ בשנה=11 שנים). התרגולים הבאים ממקסמים את החיים:

דרגה 12 על דרגה 2 עבור כל מיכל המכיל אולטרסאונד, שכן לדרגה 12 יש מקדם תאוצה נמוך יותר.

כבישה או ליטוש אלקטרו-פוליש להפחתת אתרי הגרעין של קוויטציה (Ra<0.4 µm). Rough surfaces accelerate the attack.

הרחק את תנורי החימום מקו הראייה הישיר של המתמר האולטראסוני ובאזורים בעלי עוצמה נמוכה יותר של המיכל.

הפחת את צפיפות ההספק האולטרסאונד במידת האפשר - פעולות רבות של ציפוי אלקטרוני יכולות לפעול ב-1 W/L במקום 2-3 W/L ללא אובדן משמעותי ביעילות.

עבור אמבטיות אגרסיביות (נחושת חומצית עם אולטרסאונד) הוסף מרווח על ידי הגדלת עובי הדופן ל-2.0 מ"מ.

ערבול אולטראסוני במיכלי ציפוי אלקטרוניים מגביר את קצב הקורוזיה של מחממי טיטניום דרגה 12 פי 2-5 מזה של תנאי דומם, בעוד שהשיעורים האבסולוטיים עדיין מתחת ל-0.15 מ"מ בשנה ברוב האמבטיות הרגילות. זה מתורגם לחיי צינור של 10+ שנים עם עובי דופן רגיל של 1.65 מ"מ. דרגה 12 מועדפת על פני דרגה 2 בגלל גורם האצה מופחת וסרט פסיבי חזק יותר. לפני המפרט הסופי, מומלצת בדיקה עם כימיה האמבטיה הספציפית ותנאים אולטרסאונדים עבור אמבטיות אגרסיביות כגון כלוריד ברזל או חומצה כרומית בטמפרטורה גבוהה. בכל מצב החיים מתארכים עוד יותר על ידי הכנסת המחממים לאזורים בעוצמה נמוכה יותר ועל ידי שימוש במשטחים מלוטשים. בעת ההזמנה, ציין כי תנור החימום ישמש במיכל נסער על-קולית וציין דרגה 12 עם גימור כבוש או אלקטרופוליש. בעזרת אמצעים אלה, ערבול קולי אינו פוגע באופן מהותי בחיי השירות של מחמם טיטניום ביישומי ציפוי אלקטרוניקה.