Kako ultrazvučna agitacija u spremnicima za galvanizaciju ubrzava ili smanjuje brzinu korozije titanskih uronjenih grijača razreda 12?

Ultrazvučno miješanje obično se koristi u spremnicima za galvanizaciju i završnu obradu metala kako bi se poboljšao transport mase, povećala snaga izbacivanja i pospješilo ravnomjerno taloženje. Frekvencije su obično u rasponu od 20-80 kHz. Gustoće snage su 1-5 W/L. Ovi spremnici često koriste uronjene grijače izrađene od titana razreda 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) zbog svoje otpornosti na jake kemijske procese nanošenja. Ali primjena ultrazvučne energije temeljito mijenja korozijsko ponašanje titana. Posljedice su dvojake: ultrazvuk može ubrzati koroziju u nekim postavkama uklanjanjem pasivnih premaza i induciranjem oštećenja od kavitacije; u drugima mogu spriječiti koroziju otplinjavanjem površine ili razbijanjem agresivnih graničnih slojeva. Ovaj članak procjenjuje neto učinak ultrazvučnog miješanja na titan Grade 12 u tipičnim otopinama za galvanizaciju, uključujući kiseli bakreni sulfat, nikal sulfamat i kupke s alkalnim cijanidom, te utvrđuje predstavlja li ultrazvuk čisti rizik ili korist za vijek trajanja grijača.

Mehanizmi ultrazvučnog djelovanja na koroziju
Tri su glavna utjecaja ultrazvučnih valova od interesa za koroziju titana u tekućim medijima. Kavitacija je stvaranje i nagli kolaps malih plinskih mjehurića u blizini površine titana. Kolaps mjehurića rezultira lokaliziranim pritiscima od tisuća atmosfera i mikro-mlazovima koji mogu mehanički uništiti pasivni film. Gibanje tekućine velike brzine (1-10 m/s) na površini titana uzrokovano je akustičnim strujanjem koje pospješuje masovni prijenos vrsta do i od sučelja. Otplinjavanje uklanja otopljene plinove iz graničnog sloja (uključujući kisik) i može promijeniti elektrokemijsko okruženje.

Kavitacija je glavni učinak za titan stupnja 12, oslanjajući se na stabilan TiO₂ pasivni film za otpornost na koroziju. Ponovljeni kolaps mjehurića može fizički ukloniti pasivni film i izložiti goli titan otopini za nanošenje. Stopa repasivacije stupnja 12 relativno je brza (milisekunde), međutim ako intenzitet kavitacije premaši stopu repasivacije, dolazi do čistog gubitka metala. Akustično strujanje može pojačati koroziju (dostavljanjem svježih agresivnih vrsta na površinu) ili smanjiti koroziju (uklanjanjem ustajalih, lokalno zakiseljenih slojeva koji potiču udubljenje).

Ultrazvučno mjerenje brzine korozije
Kvantitativni rezultati dobiveni su kontroliranim testiranjem pomoću kupona od titana Grade 12 (1,65 mm debljine, polirane površine) u tri standardne kupke za galvanizaciju na 55 C, sa i bez ultrazvučnog miješanja (40 kHz, 2 W/L). Duljina izloženosti bila je 500 sati, a gubitak težine mjeren je svakih 100 sati.

Stupanj 12 bez ultrazvuka 0,01-0,03 mm godišnje-zanemarljivo U kiseloj kupelji bakrenog sulfata (50 g/L CuSO 4 5H 2 O, 50 g/LH 2 SO 4, pH0,5) Brzina s ultrazvukom se povećava na 0,08-0,15 mm/god. Veća stopa pripisuje se kavitacijskom uklanjanju pasivnog filma u neprijateljskom okruženju s niskim pH. Površina izložena ultrazvuku 500 sati je matirana i urezana u usporedbi sa sjajnom pasivnom površinom kontrole. Nema rupa, napad je ujednačen.

Korozija stupnja 12 bez ultrazvuka u kupelji nikal sulfamata (Ni(SO 3 NH 2 ) 2, 400 g/L, H 3 BO 3 , 30 g/L, pH 4,0) je 0,02-0,04 mm/god. S ultrazvukom se lagano povećava na 0,05-0,09 mm /god. Pri nižim pH, oštećenje od kavitacije je manje jer se pasivni film brže ponovno uspostavlja u neutralnim otopinama.

Stupanj 12 bez ultrazvuka korodira manje od 0,01 mm/godina - dobro U bakrenoj kupelji s bakrenim cijanidom (40 g/L CuCN, 30 g/L NaCN, 15 g/L NaOH, pH 12) S ultrazvukom stopa korozije raste na 0,02-0,05 mm godišnje – još uvijek prihvatljivo. Zanimljivo, ultrazvuk također inhibira proizvodnju taloga crnog bakra, koji se ponekad pojavljuje na titanu u cijanidnim kupkama. Kavitacija eliminira slabo prianjajuće premaze.

Brzina korozije s ultrazvukom u sve tri kupke bila je manja od 0,15 mm godišnje, što znači životni vijek veći od 10 godina za stijenku od 1,65 mm. Ubrzanje je mjerljivo, ali nije dovoljno značajno da izazove preuranjeni kvar u većini aplikacija galvanizacije.

Učinak na druge vrste titana – usporedni
Vrsta kupke Stupanj titana Brzina korozije (mm/godina) Bez ultrazvuka Brzina ultrazvučne korozije (40 kHz; 2 W/L) Stopa ubrzanja
Kiseli bakar stupnja 2 0.05-0.10 0.25-0.45 4-5x Nikal sulfamat stupnja 2 0.03-0.06 0.12-0.20 3-4x Kiseli bakar stupnja 7 0.01-0.02 0.06-0.10 4-6x Kiseli bakar stupnja 12 0.01-0.03 0.08-0.15 3-5x
Nikal sulfamat stupnja 12 0.02-0.04 0.05-0.09 2-3x Alkalni cijanid stupnja 12<0.01 0.02-0.05 3-5x
Stupanj 12 ima niži faktor ubrzanja od stupnja 2 u svim kupkama, budući da njegova legura molibdena-nikla stvara jači pasivni film koji se može bolje oduprijeti kavitaciji. Stupanj 7 imao je slično ubrzanje kao razred 12, iako s nižom apsolutnom stopom.

Kada ultrazvuk siječe koroziju
Ultrazvuk može usporiti koroziju titana u nekim okruženjima. U stagnirajućim ili slabo{1}}protočnim rješenjima gdje je piting olakšan lokalnim zakiseljavanjem ili koncentracijom klorida, akustično strujanje remeti granični sloj i izbjegava nakupljanje agresivnih vrsta. Testiranje u 10% FeCl₃ na 50 stupnjeva, okruženje s jakim udubljenjima, pokazalo je da će stupanj 12 bez ultrazvuka udubiti unutar 100-200 sati. S ultrazvukom (40 kHz, 2 W/L) piting je odgođen za 500+ sati i stopa korozije je dosljedna. Mehanizam je uklanjanje kloridnih iona koncentriranih na mjestima inicijacije jamica.

Ultrazvuk također može minimizirati koroziju u uvjetima s visokim-kloridom,-niskim-kisikom (npr. duboke pukotine) otplinjavanjem i oksigenacijom površine titana, što potiče pasivizaciju. Ovaj utjecaj je manje važan za uronjene grijače od statičnih dijelova.

Tablica 1. Matrica primjene ultrazvučnih kupki za galvanizaciju
Kupka za oblaganje pH Temperatura Preporučena klasa titana Učinak ultrazvuka na brzinu korozije Dobar za vijek trajanja grijača (5+ godina s debljinom stijenke od 1,65 mm)
Kiseli bakrov sulfat 0.5-1.0 50-60 C stupanj 12 ili stupanj 7 3-5x ubrzanje, ali konačna brzina<0.15 mm/yearYes, 12th grade
Nikal sulfamat 3.5-4.5 50-60 stupanj Grade 12 2-3x ubrzanje,<0.10 mm/year Yes
Alkalni bakrov cijanid 11-13 50-70 stupanj Grade 12 ili Grade 2 3-5x brzina,<0.05 mm/year Yes
Kiseli cinkov klorid 40-50 stupnjeva 4,0-5,5 stupnja 12 2-4 puta brže, brzina<0.12 mm/year Yes
Anodiziranje kromnom kiselinom<1.0 40-50°C Grade 7 only High acceleration probable; test recommended Grade 7 with monitoring
Jetkanje željeznim kloridom 0.5-1.0 45-55 stupanj Stupanj 12 4-6x ubrzanje, iznad 0,3 mm/godina Granica; razmislite o smanjenju ultrazvučne snage
Praktični vodič za specifikacije grijača
Ultrazvučna agitacija (40 kHz, tipično 2 W/L) u spremnicima za elektrotaloženje može omogućiti upotrebu titanskih uronjenih grijaćih elemenata razreda 12 za većinu kemikalija u kupki, gdje se stope korozije ubrzavaju za faktor 2-5, ali ostaju ispod 0,15 mm godišnje u uobičajenim kupkama. Cijev sa zidom od 1,65 mm trajat će 10+ godina pri .15 mm godišnje upotrebe (1,65 mm /.15 mm godišnje=11 godina). Sljedeće prakse povećavaju život:

Stupanj 12 iznad stupnja 2 za bilo koji spremnik koji sadrži ultrazvuk jer stupanj 12 ima niži faktor ubrzanja.

Dekapiranje ili elektropoliranje površina za smanjenje mjesta nukleacije kavitacije (Ra<0.4 µm). Rough surfaces accelerate the attack.

Držite grijače izvan izravne vidne linije ultrazvučne sonde i u područjima spremnika s nižim intenzitetom.

Smanjite gustoću ultrazvučne snage gdje je to moguće - mnoge operacije galvanizacije mogu raditi na 1 W/L umjesto 2-3 W/L bez značajnog gubitka učinkovitosti.

Za agresivne kupke (kiseli bakar s ultrazvukom) dodajte marginu povećanjem debljine stijenke na 2,0 mm.

Ultrazvučno miješanje u spremnicima za galvanizaciju povećava brzinu korozije titanskih grijača stupnja 12 za 2-5 puta u odnosu na mirne uvjete, dok su apsolutne stope još uvijek ispod 0,15 mm godišnje u većini običnih kupki. To znači vijek trajanja cijevi od 10+ godina s normalnom debljinom stijenke od 1,65 mm. Grade 12 daje prednost u odnosu na Grade 2 zbog smanjenog faktora ubrzanja i jačeg pasivnog filma. Prije konačne specifikacije, preporučuje se testiranje sa specifičnim kemijskim sastavom kupke i ultrazvučnim uvjetima za agresivne kupke kao što je željezo-klorid ili visokotemperaturna kromna kiselina. U svakoj situaciji životni vijek dodatno se produljuje postavljanjem grijača u područja nižeg intenziteta i korištenjem poliranih površina. Prilikom naručivanja naznačite da će se grijač koristiti u ultrazvučno miješanom spremniku i navedite stupanj 12 s dekapiranom ili elektropoliranom završnom obradom. Uz ove mjere, ultrazvučno miješanje materijalno ne smanjuje radni vijek titanijskog grijača u aplikacijama za galvanizaciju.