Ekstremno okolje
Mešano kislinsko jedkanje za uporabo v polprevodnikih, letalstvu in končni obdelavi kovin uporablja kombinacije dušikove kisline in fluorovodikove kisline pri temperaturah 60-90 stopinj. To okolje napada skoraj vse kovine. Dušikova kislina zagotavlja močno oksidacijsko moč. Fluorovodikova kislina zagotavlja fluoridne ione, ki tvorijo stabilne, topne komplekse z večino kovinskih kationov in uničijo vsak pasivni film, ki bi sicer lahko zaščitil površino.
Tantal je ena redkih kovin z uporabno odpornostjo na to okolje. Tantal-volframova zlitina (Ta-2,5W ali Ta-10W) izboljša že tako odlično korozijsko odpornost čistega tantala z ojačitvijo s trdno raztopino, ki prav tako poveča odpornost proti napadom fluorida. Te zlitine predstavljajo vrhunec kovinske odpornosti proti koroziji pri uporabi mešanih kislin.
PTFE je imun na obe kislini. Primerjava je med najboljšim razpoložljivim kovinskim materialom-z merljivo končno odpornostjo proti koroziji-in polimerom, ki v tem okolju ne more korodirati.
Mehanizem korozije tantal-volframa v HF
Tantal je odporen na HF bolje kot katera koli druga komercialna kovina razen iridija in platine. Njegov pasivni film Ta₂O₅ je eden najbolj kemično odpornih znanih oksidov. Dodatek volframa okrepi zlitino in rahlo izboljša odpornost proti napadom fluorida s spreminjanjem elektronske strukture pasivnega filma.
Vendar tantal-volframova zlitina ni imuna na HF. Pri 80 stopinjah v mešanicah HNO₃-HF se pasivni film raztopi s hitrostjo 0,005-0,02 mm/leto. Raztapljanje je na splošno enakomerno, vendar se lahko lokalizira na površinskih napakah, mejah zrn ali območjih mehanskih poškodb. Praska, ki predre pasivni film, postane mesto pospešenega napada, dokler se film ponovno ne oblikuje.
Enotna stopnja raztapljanja je obvladljiva z dodatkom za korozijo. Tveganje je lokalizirana okvara. Če se droben delec železa iz orodja med izdelavo ali vzdrževanjem vgradi v površino tantala, tvori aktivni galvanski člen. Prednostno korodira tantal okoli železovega delca. Jamica nastane in se širi pod skupnim vplivom kislinske mešanice in galvanske gonilne sile.
Tabela 1: Primerjava odpornosti proti koroziji mešanih kislin (20 % HNO₃ + 5 % HF, 80 stopinj)
| Parameter korozije | Tantal-volfram (Ta-2,5W) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizem za zaščito pred korozijo | Ta₂O₅ pasivni film | Inherentna stabilnost vezi C-F |
| Enotna stopnja korozije (mm/leto) | 0.005-0.02 | 0 |
| Lokalno tveganje korozije | Nizka, vendar ne enaka nič (občutljivost za onesnaženje z Fe) | Noben |
| Občutljivost za povečanje koncentracije HF | Zmerno (stopnja sorazmerna [HF]) | Noben |
| Občutljivost na povišanje temperature | Visoka (stopnja se podvoji na 10-15 stopinj) | Brez (pod 260 stopinj) |
| Stroški materiala (relativni) | 30-50× | 1× |
| Kompleksnost izdelave | Izjemno visoka (specializirano varjenje; čisti prostori) | Zmerno |
| Toplotna prevodnost (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Zahtevana relativna površina | 1,0 × (osnovna črta) | 3-4× |
| Predvidljivost življenjske dobe | Zmerno (tveganje stohastičnega pitinga) | Visoka (izračun-na podlagi lezenja) |
| Posledica neuspeha | Nenadno puščanje luknjice; procesna kontaminacija | Postopno; zaznati z merjenjem debeline |
Realnost izdelave in stroškov
Tantal{0}}volframova zlitina je med najdražjimi inženirskimi materiali, ki se uporabljajo v kemični opremi. Cena surovine je 30-50-krat večja od cene PTFE na kilogram. Izdelava zahteva posebno varjenje v-inertni atmosferi visoke čistosti, pogosto v čistih prostorih, da se prepreči kontaminacija površine, ki bi lahko sprožila korozijo. Varilci morajo imeti poseben certifikat za varjenje ognjevzdržnih kovin. Neporušni pregled vsakega zvara je obvezen.
Cena izdelanega toplotnega izmenjevalnika je 10-20-krat večja od ekvivalenta PTFE za enako toplotno moč. Ta stroškovna premija kupi toplotni izmenjevalnik, ki je kompakten-zahvaljujoč tantalovi toplotni prevodnosti 54 W/m·K, vendar še vedno počasi korodira in predstavlja tveganje za lokaliziran napad.
Toplotni izmenjevalniki iz PTFE za isto obremenitev so večji-3- do 4-kratne površine, vendar stanejo le delček toliko in nimajo tveganja korozije. Kjer prostor za namestitev lahko sprejme večji odtis, je ekonomska izbira nedvoumna.
Tveganje kontaminacije procesa
Tantalova korozija sprosti tantalove ione v raztopino za jedkanje. Pri polprevodnikih in visoko{1}}natančnih aplikacijah za dodelavo kovin lahko kontaminacija s kovinskimi ioni na ravneh-na-milijardo vpliva na kakovost postopka. Hitrost raztapljanja tantala 0,01 mm/leto pomeni neprekinjen nizko{6}}raven onesnaženja s tantalom.
PTFE ne sprošča kovinskih ionov. Ne vsebuje kovin. Raztopina za jedkanje ostane brez kovinske kontaminacije-izmenjevalnik-toplote skozi celotno življenjsko dobo opreme. Za procese,-občutljive na kontaminacijo, je to odločilna prednost neodvisno od stroškov.
Povzetek
PTFE toplotni izmenjevalniki so odporni na mešane HNO₃-HF kislinske raztopine za jedkanje pri 80 stopinjah, medtem ko tantal-volframova zlitina počasi korodira zaradi raztapljanja pasivnega filma in predstavlja tveganje za lokaliziran galvanski napad. Stroški materiala za tantal-volfram so 30–50-krat višji od PTFE; stroški izdelane opreme so 10-20-krat višji.
PTFE zahteva 3-4-kratno površino za enakovredno toplotno obremenitev. Kjer je na voljo prostor za namestitev, PTFE zagotavlja nižje stroške, ničelno tveganje korozije in brez kontaminacije s kovinskimi ioni. Tantal-volfram je rezerviran za aplikacije, kjer prostorske omejitve ali mehanske zahteve onemogočajo večji odtis PTFE.
Inženirska analiza za izbiro materiala toplotnega izmenjevalnika z mešanim kislinskim jedkanjem je na voljo po predložitvi koncentracij kisline, delovne temperature, toplotne moči, razpoložljivega prostora za namestitev in občutljivosti na onesnaženje s kovino.
