Nepojasnjena okvara titanovega grelnika
Nadzornik linije pozlačevanja odstrani potopni grelnik iz titana po samo 14 mesecih delovanja. Zunanja površina je videti večinoma nedotaknjena, razen razpršenih luknjic, ki predirajo steno cevi. Grelnik je bil določen zaradi svoje odpornosti proti koroziji v oksidativnih kislinah. Kljub temu je prezgodaj odpovedal v kemiji kopeli, ki velja za združljivo s titanom.
Ta vzorec napak se ponavlja v operacijah pozlačevanja po vsem svetu. Potopni grelniki iz titana, izbrani posebej zaradi svoje odpornosti proti koroziji, razvijejo lokalizirane luknjičaste luknje v okoljih, kjer enotne stopnje korozije napovedujejo leta življenjske dobe. Nepovezanost med predvideno in dejansko zmogljivostjo izhaja iz napačnega razumevanja korozijskega mehanizma titana v elektrolitih za prevleko iz plemenitih kovin.
Elektrokemija luknjanja titana
Titan je odporen proti koroziji s tankim, vzdržljivim pasivnim filmom iz titanovega dioksida, ki se tvori spontano ob izpostavljenosti zraku ali oksidacijskim raztopinam. V čisti žveplovi ali dušikovi kislini ta pasivna plast ostane stabilna. Pozlačene kopeli pa so le redko sistemi čiste-kisline.
Elektroliti za pozlačevanje na osnovi-citrata vsebujejo kompleksna sredstva, ki lahko kelirajo titanove ione in destabilizirajo pasivni film na lokaliziranih mestih. Kisli zlati vložki pogosto vključujejo majhne količine klorida zaradi vlečenja ali namerne dodatke za izboljšanje korozije anode. Zlate kopeli-na osnovi cianida, čeprav so alkalne, lahko vsebujejo fluorid iz prejšnjih korakov postopka, ki se prenese v kopel na površine obdelovanca.
Kloridni ioni so primarno sredstvo za luknjanje titana v kislem okolju. En sam kloridni ion, ki se adsorbira na šibki točki v pasivnem filmu, sproži lokalizirano razgradnjo. Ko film poči na tem mikroskopskem mestu, postane izpostavljena osnovna kovina titana anodna glede na okoliško pasivno površino. Ta galvanski par povzroči hitro lokalizirano raztapljanje, medtem ko je večina površine videti neprizadeta.
Fluoridni ioni so še bolj agresivni. Fluorovodikova kislina, tudi pri koncentracijah ppm, raztaplja titanov dioksid in kovinski titan hkrati. Titanov grelec v liniji za pozlačevanje, ki obdeluje dele, predhodno vgravirane v raztopinah,-ki vsebujejo fluorid, se sooča s kumulativnim tveganjem onesnaženja s fluoridom.
Tabela 1: Občutljivost titana za luknjičaste luknjice v primerjavi z inertnostjo PTFE pri onesnaževalcih pozlačene kopeli
| Onesnaževalec | Vpliv na titanov grelec | Mejna koncentracija | Vpliv na PTFE izmenjevalnik toplote |
|---|---|---|---|
| klorid (Cl⁻) | Pitting nad 200 ppm pri pH < 4 | 200 ppm | Noben |
| Fluorid (F⁻) | Enakomerna + luknjičasta pri kateri koli konc. | < 5 ppm detectable attack | Noben |
| Citratni kompleksi | Raztapljanje s-pomočjo kelacije | Spreminja se glede na pH | Noben |
| cianid (CN⁻) | Počasen napad v alkalnih pogojih | >500 ppm | Noben |
| Fe³⁺ (oksidant) | Zavira nastanek luknjic, če so prisotne | Ugodno nad 100 ppm | Noben |
Podatki o mejnih vrednostih iz vodnikov NACE za korozijo titana in preiskav okvar objektov za pozlačevanje.
Kaskada kontaminacije
Jamčasta korozija v titanovem grelniku ne le skrajša življenjsko dobo opreme. Vsaka jamica, ki prodre skozi steno cevi, v elektrolit za pozlačevanje uvaja titanove ione. Raztopljeni ko-titanov usedline z zlatom spreminjajo barvo usedlin v smeri dolgočasnega, rjavkastega odtenka, ki je nesprejemljiv za dekorativne ali elektronske aplikacije.
Kontaminacija s titanom prav tako poveča napetost nanosa. Pozlačevanje za aplikacije polprevodnikov in konektorjev zahteva nizke-obremenitve za spajanje žic in spajkanje. Titanovi ioni, že pri 5-10 ppm, merljivo povečajo natezno napetost v elektrodeponiranem zlatu, kar povzroči mikrorazpoke in napake pri zanesljivosti.
Ekonomski vpliv spojin. Stroški zamenjave grelnika so neposredni stroški. Čiščenje kopeli ali zamenjava za odstranitev kontaminacije s titanom poveča stroške postopka. Pod-proizvodnja iz neodkritega raztapljanja titana ustvarja največje skrite stroške zaradi zmanjšanega donosa in morebitnih vračil strank.
Zakaj je PTFE izmenjevalnik toplote odporen na kemikalije
PTFE izmenjevalnik toplote deluje v kopeli za pozlačevanje brez kakršnih koli korozijskih mehanizmov, ki uničujejo titanove enote. Molekularna struktura fluoroogljika ne vsebuje kovinskih elementov, pasivnega filma in elektrokemične aktivnosti.
Kloridni ioni, ki sprožijo luknjanje na titanu, nimajo kemijske interakcije s PTFE. Vez ogljik-fluor je močnejša od katere koli vezi, ki jo lahko tvori klorid s polimerom. Fluoridni ioni, ki raztapljajo titanov dioksid in napadajo kovinski titan, so enako inertni na PTFE. Material je že popolnoma fluoriran; fluoridni ioni ne morejo nadalje reagirati z njim.
Citratni kompleksi, cianidni ioni in kovinski onesnaževalci v sledovih, ki otežujejo korozijsko obnašanje titana, so za PTFE kemično nevidni. Površina fluoropolimera predstavlja elektrolitu le atome ogljika in fluora. Ne obstaja noben mehanizem korozije, lukenj ali raztapljanja.
Termična stabilnost brez kemične razgradnje
Kopeli za pozlačevanje delujejo pri 40-65 stopinjah, odvisno od specifične formulacije. To temperaturno območje ne predstavlja nobenega izziva za toplotno stabilnost PTFE, ki sega do 260 stopinj, preden se začne kakršna koli razgradnja.
Titanovi grelniki v zlatih kopelih se soočajo z drugačnim toplotnim izzivom. Stopnje luknjičaste korozije eksponentno naraščajo s temperaturo. Grelec iz titana deluje pri 60 stopinjah približno štirikrat hitreje kot pri 40 stopinjah. Procesni inženirji včasih znižajo temperaturo kopeli, da podaljšajo življenjsko dobo grelnika, kar ogroža stopnjo nanosa in pretočnost. Toplotni izmenjevalnik iz PTFE odpravi to omejitev in omogoča delovanje pri optimalni temperaturi prevleke brez skrbi za pospešeno korozijo opreme.
Podatki o terenu iz obrata za prevleko konektorjev
Proizvajalec konektorjev, ki upravlja z kolutom--za selektivno pozlačevanje, je zamenjal potopne grelnike iz titana vsakih 12–18 mesecev. Analiza napak je dosledno identificirala kloridno luknjanje kot glavni vzrok, kljub temu, da so bile koncentracije klorida v kopeli pod 150 ppm. Lokalizirana koncentracija klorida na površini grelnika, povečana s toplotnimi gradienti, je zadostno presegla meritev v kopeli v razsutem stanju, da je sprožila luknjičasto kopičenje.
Objekt je poskusno pretvoril eno celico za prevleko v PTFE izmenjevalnik toplote. PTFE enota, dimenzionirana za enakovredne 30 kW ogrevalne naloge z uporabo pare 3 bari, je bila izdelana iz cevi s tanko steno 8 mm OD v konfiguraciji mreže. Po 30 mesecih neprekinjenega delovanja toplotni izmenjevalnik PTFE ni pokazal nobene kemične razgradnje, nobene spremembe v zmogljivosti prenosa toplote in nobenih zaznavnih učinkov fluorida ali klorida. Koncentracija titana v zlati kopeli, ki jo je oskrbovala enota PTFE, je ostala pod mejami analitične detekcije.
Povzetek
Potopni grelniki iz titana odpovejo v kopeli za pozlačevanje zaradi luknjičaste korozije, ki jo sprožijo onesnaževalci klorida in fluorida v koncentracijah, ki se pogosto štejejo za varne. Lokalizirana narava luknjanja naredi napako nepredvidljivo in povzroči kontaminacijo s titanom, ki poslabša kakovost nahajališča zlata.
PTFE izmenjevalnik toplote odpravlja mehanizme korozije in kontaminacije. Brez pasivnega filma pomeni, da ni mest iniciacije pittinga. Kemična inertnost na klorid, fluorid, citrat in cianid pomeni, da nobena kemija zlate kopeli ne povzroča korozije. Ničelna vsebnost kovin pomeni ničelno onesnaženje elektrolita za nanos kovinskih ionov.
Za operacije pozlačevanja, pri katerih pride do nepojasnjenih okvar titanovega grelnika ali težav s kontaminacijo s titanom, je inženirska analiza za dimenzioniranje toplotnega izmenjevalnika PTFE na voljo ob predložitvi kemije kopeli, delovne temperature, dimenzij rezervoarja in razpoložljivih specifikacij grelnega medija.
