נתרן דיכרומט (Na₂Cr₂O₇) בריכוז של 10% ו-70 מעלות היא תמיסה המחמצנת מאוד. כרום משושה (Cr⁶⁺) הוא מחמצן רב עוצמה עם פוטנציאל הפחתה סטנדרטי של +1.33 V עבור Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺. במתכות רבות, כמו נירוסטה, יוני כרומט מקדמים פסיביות. עם זאת, על טיטניום, כרום משושה אינו מייצר סרט פסיבי יציב. יוני הכרום אינם משתלבים בסריג הטיטניום דו חמצני, ופוטנציאל החמצון הגבוה למעשה מניע את הטיטניום לאזור הטרנספאסיבי, מה שגורם לפירוק מתמשך של הסרט הפסיבי. שיעור הקורוזיה של טיטניום ב-10% נתרן דיכרומט ב-70 מעלות הוא 0.05-0.15 מ"מ בשנה, שהוא גבוה יותר מאשר בתמיסות כלוריד ניטרליות רבות.

המנגנון של התנהגות טיטניום בפתרונות כרום משושה

טיטניום מסתמך על סרט TiO₂ יציב לפסיבציה. בתמיסות דיכרומט, תגובת ההפחתה Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O מתרחשת על פני הטיטניום. לתגובה זו יש צפיפות זרם חליפין גבוהה, המעבירה את הפוטנציאל המעורב של טיטניום לערכים מעל +1.0 V לעומת אלקטרודת מימן רגילה. בפוטנציאלים אצילים כאלה, טיטניום חודר לאזור הטרנספסיבי שבו סרט ה-TiO₂ מתחמצן עוד יותר למיני Ti⁴⁺ מסיסים. הסרט הפסיבי מתמוסס ברציפות ולא נשאר יציב. בנוסף, יוני כרומט אינם יוצרים תרכובות בלתי מסיסות עם טיטניום שעלולות לשמש כשכבת מחסום, שלא כמו על ברזל או כרום שבו כרומט יוצר תחמוצות ספינל מגן.

שיעורי קורוזיה כמותיים וניתוח פני השטח

בדיקה מבוקרת ב-10% Na₂Cr₂O₇ ב-70 מעלות במשך 1,000 שעות קבעה את התנהגות הקורוזיה הבאה עבור טיטניום דרגה 2. קצב הקורוזיה הוא 0.05-0.15 מ"מ בשנה, שהוא פי 5-15 מהשיעור במים מתוקים באותה טמפרטורה. על פני השטח ניתן לראות שינוי צבע צהוב-חום כתוצאה מתחמוצת כרום או הידרוקסיד שהושקעו. ניתוח ספקטרוסקופיה של פוטואלקטרון קרני רנטגן מצביע על כך שסרט פני השטח מכיל תערובת של TiO₂ ו-Cr(OH)₃, אך הסרט הוא נקבובי ואינו -מגן. פוטנציאל המעגל הפתוח- מתייצב ב-+0.6 ל-+0.9 V לעומת Ag/AgCl, שנמצא באזור הטרנספאסיבי. לא נצפה בור; במקום זאת, מתרחש דילול אחיד. לשם השוואה, לטיטניום דרגה 2 ב-3% NaCl ב-70 מעלות יש קצב קורוזיה של 0.01-0.03 מ"מ בשנה עם פוטנציאל פסיבי של +0.1 עד +0.3 V.

השפעת הריכוז והטמפרטורה על חומרת הקורוזיה

קצב הקורוזיה עולה הן עם ריכוז הדיכרומט והן עם הטמפרטורה. ב-5% Na₂Cr₂O₇ ו-70 מעלות, קצב הקורוזיה הוא 0.03-0.08 מ"מ בשנה. ב-10% ו-70 מעלות, השיעור הוא 0.05-0.15 מ"מ בשנה. ב-15% ו-70 מעלות, השיעור עולה ל-0.08-0.20 מ"מ בשנה. ב-10% ו-50 מעלות, השיעור יורד ל-0.02-0.05 מ"מ בשנה. ב-10% ו-90 מעלות, השיעור עולה ל-0.10-0.25 מ"מ בשנה. ב-20% ו-90 מעלות, השיעור מגיע ל-0.15-0.35 מ"מ בשנה. הקורוזיה היא אחידה, ללא בור, שכן הפירוק הטרנספסיבי מתרחש באופן שווה על פני השטח. אנרגיית ההפעלה של התהליך היא כ-40 קילו-ג'יי/מול, מה שמצביע על בקרת קינטית ודיפוזיה מעורבת.

התנהגות קורוזיה של דרגות טיטניום שונות בפתרונות דיכרומט

הטבלה הבאה משווה את שיעורי הקורוזיה של דרגות טיטניום שונות ב-10% נתרן דיכרומט ב-70 מעלות במשך 1,000 שעות, יחד עם מאפייני הסרט הפסיבי שלהם.

מדריך מיתוג ובחירת חומרים לשירות דיכרומט

עבור יישומים הדורשים חימום של תמיסות נתרן דיכרומט, הטבלה הבאה מספקת המלצות לבחירת מחמם טיטניום ומגבלות תפעול.

הנדסה מעבר לבחירת כיתה

עובי הקיר מספק קצבת קורוזיה; קיר של 2.0 מ"מ עם קצב קורוזיה של 0.10 מ"מ בשנה מחזיק מעמד 20 שנה. לגימור פני הצינור יש השפעה מינימלית על פירוק טרנספאסיבי. נוכחות של כלורידים בתמיסת הדיכרומט, שיכולה להתרחש ממים לא טהורים, מגבירה את קצב הקורוזיה פי 2-3. לתוספת של יוני סולפט יש השפעה מעכבת קלה. ניתן להפחית את קצב הקורוזיה ב-30-50% על ידי פינוי התמיסה להסרת חמצן, מה שמאט את התגובה הקתודית.

ביצוע מפרט מושכל

עבור מחמם טבילה חשמלי טיטניום ב-10% נתרן דיכרומט ב-70 מעלות, צפו לשיעור קורוזיה של 0.05-0.15 מ"מ בשנה עבור דרגה 2 או 0.04-0.12 מ"מ בשנה עבור דרגה 7. ציין עובי דופן מינימלי של 2.0 מ"מ כדי לספק חיי שירות של 10-20 שנים. לריכוזים או טמפרטורות גבוהות יותר, שקול להפחית את טמפרטורת הפעולה או לדלל את תמיסת הדיכרומט. במהלך ההפעלה, יש לעקוב אחר התנור לשינויים בהתנגדות החשמלית, שעלולים להעיד על דילול. אם התמיסה מזוהמת עם כלורידים, הפחית את הטמפרטורה ל-50 מעלות. מתוך הבנה שכרום משושה אינו מפסיד טיטניום ובמקום זאת גורם לפירוק טרנספאסיבי, המהנדס בוחר את עובי הדופן והדרגה המתאימים לחיי שירות צפויים בתמיסות נתרן דיכרומט.