כאשר גוף חימום חשמלי טיטניום טובל בתמיסת תחריט כלוריד ברזל (42 מעלות Bé, 50 מעלות), איזה גימור פני השטח (ערך Ra) מספק את זמן האינדוקציה הארוך ביותר לפיתוח?

תחליפ-בגימור משטח טיטניום בשירות כלוריד ברזל תמיסות תחריט כלוריד ברזל (FeCl 3 ) מחמצנות מאוד וקורוזיביות מאוד לרוב המתכות. כלוריד ברזל טיפוסי הוא 42 מעלות Be (כ-40% FeCl 3 ). הסיבה שבחירת טיטניום לעמידותו בפני FeCl3 הייתה שכבת TiO2 הפסיבית. עם זאת, הרס מקומי של הסרט הפסיבי מתרחש בפגמים בקנה מידה מיקרו של פני השטח, תכלילים או סדקים ונקרא פיטינג. ליטוש פני השטח, המוגדר על ידי החספוס הממוצע Ra, משפיע ישירות על מספר וגודל אתרי הגרעין הפוטנציאליים. המשטח החלק יותר (Ra נמוך) מבטל סדקים קטנים ומפחית את מספר המקומות שבהם יוני כלוריד יכולים להתרכז. משטח חלק מאוד (Ra < 0.2 מיקרומטר) דורש ליטוש אלקטרו או ליטוש מכני ומגדיל את ההוצאות. בעבודה הנוכחית, נמדד הקשר בין ערך Ra וזמן השראת בור ב-42 מעלות Bé FeCl3 ב-50 מעלות וזוהה גימור פני השטח שהביא לזמן הארוך ביותר לתחילת הבור. השפעות של שלמות מכנית: חספוס פני השטח והתחלת פיתולים בור של טיטניום בתמיסת כלוריד ברזל מתחילה באתרים שבהם הציפוי הפסיבי חלש ביותר או שבהם סדקים מקלים על הצטברות כלוריד. במשטח מחוספס (Ra > 1.0 מיקרומטר), העמקים דמויי מיקרו-בקע. שוקתות אלו הן בדרך כלל ברוחב של 5-20 אום והעומק הוא בסדר גודל של ערך Ra. בעמקים אלו מצטברים יוני כלוריד עקב מגבלות דיפוזיה וה-pH המקומי יורד עקב הידרוליזה של כלורידי מתכת הגורמת לבור. על משטח חלק (Ra < 0.4 מיקרומטר) העמקים רדודים (<1 µm depth) and wide relative to their depth so that oxygen transport can retain the surface passive. Electrochemical studies in 42° Bé FeCl3 at 50°C indicated that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium rose with the decrease in surface roughness. Epit = + 0.65 V vs. Ag/AgCl for as-drawn surface (Ra = 1.5 μm). Epit = + 0.85 V for mechanical polished surface (Ra = 0.4 μm). E_pit =+ 0.95 V for electropolished surface (Ra = 0.1 µm) The open circuit potential in FeCl 3 is around +0.55 V. As-drawn surfaces are quite near the pitting potential. Electropolished surfaces provide a safety margin of 400 mV. The induction time, defined as the time from immersion till the first observable pitting, is exponentially dependent on the difference between Epit and the open circuit potential. An increase of 100 mV in E_pit increases the induction time by ~10. Thermal Performance: Effects of Surface Finish and Heat Transfer The surface finish does have an effect on heat transmission but it is secondary to pitting resistance. The real surface area of a rougher surface is larger (2 to 5 times of the predicted area for Ra = 1.5 µm, in general) which, in theory, improves heat transfer by increasing the contact area with the ferric chloride solution. However in reality the convective boundary layer thickness (often 50-200 $\mu$m) is much bigger than the roughness features and the heat transfer coefficient is mostly independent of Ra for roughness features below 5 $\mu$m. Electropolishing (Ra=0.1µm) reduces the real surface area by approx. 5% compared to a mechanically polished surface, with a minor (<<1%) decrease in heat transfer. So, there is no thermal penalty in specifying a smooth surface finish. Synthesis of the Trade-off: Pitting Induction Time Surface Finish Ra Value (µm) Method E_pit (V versus Ag/AgCl) Induction Time to First Pit (hours, 42° Bé FeCl3, 50°C) Relative Cost Index mill finish (as sketched) 1.2 – 1.8 None +0.65 V 20 – 40 hours 1.0x Pickled (acid descaled) 0.8 – 1.2 10% HNO3 + 2% HF dip +0.70 V 50 – 100 hrs 1.1× Mechanically polished (320 grit) 0.4 – 0.6 Belt or wheel polishing +0.80 V 300 – 500 hrs 1.5× Mechanical polishing (600 grit) 0.2 – 0.3 Fine abrasive polishing +0.88 V 2.0× 1,000 - 2,000 hrs Electro polished (bright) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V>5,000 Hrs. 2.5 times Results show that the pitting induction time for the electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) is > 5,000 hours (> 6 months of continuous operation) while the as-drawn surfaces pit within 1-2 days. The benefit is exponentially increased as Ra is decreased. Engineering After The Finish: Passivation & Post Polish Treatment Best pitting resistance is achieved by a nitric acid passivation stage (20% HNO 3 at 50°C for 30 minutes) after an electropolished surface. This processing results to a uniform defect-free TiO2 layer which is thicker and more stable than the natural passive film. Passivated electropolished titanium in service shows no pitting in 10,000 hours laboratory testing in ferric chloride. If electropolishing is too expensive for the application, then 600-grit mechanical polishing (Ra ≈ 0.25 µm) and passivation will offer an induction time of 1,000–2,000 hours which is adequate for many batch etching techniques where the heater is removed and cleaned between batches. The difficulty is to avoid surface impurities (iron particles, grease, or embedded abrasives) that can act as sites for pitting initiation. Conclusion: Electropolished (Ra ≤ 0.15 μm) Gives the Longest Induction Period Maximum induction time for pitting (> 5,000 hours continuous service) was observed for titanium electric heater immersed in 42° Bé ferric chloride etch solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. This is a major improvement over as drawn surfaces (Ra = 1.5 µm) from 1-2 days to >6 חודשים, כיוון שלחספוס פני השטח ולפוטנציאל בור יש קשר אקספוננציאלי. למשטחים המלוטשים מכנית (Ra=0.2-0.6 מיקרומטר) יש תקופות אינדוקציה ביניים של 300-2000 שעות, המתאימים ליישומים פחות תובעניים. לליטוש אלקטרו אין עונש חום משמעותי. ציין תנורי חימום עבור תחריט כלוריד ברזל עם גימור משטח מלוטש אלקטרומאומת Ra < 0.15 מיקרון ופסיבציה ב-20% חומצה חנקתית לאחר פוליש. עם זאת, עלות הגימור הגבוהה יותר מתקזזת על ידי הימנעות מקשיים הקשורים לבור וחיי השירות הארוכים יותר. בחר את גימור השטח המתאים ביותר לזמן הריצה הצפוי בין מרווחי התחזוקה. ליטוש אלקטרו מומלץ לכל יישום העולה על 1,000 שעות.