U liniji za plastificiranje tvrdog kroma (kromna kiselina 250 g/L, 60 stupnjeva), zašto je omotač od titana s malo grubljom površinom (3,2 μm Ra) bolji od zrcala-završne obrade u pogledu otpornosti na prianjanje naslaga kromata?

Temeljna zamjena-završne obrade površine od titana za tvrdo kromiranje
Kupke za tvrdo kromiranje uključuju 250 g/L kromne kiseline (CrO3) sa sulfatnim katalizatorima na 60 stupnjeva. Uranjajući grijači od titana uobičajeni su zbog svoje dobre otpornosti na koroziju na oksidirajuću kromnu kiselinu. Međutim, naslage kromata (bazični kromov kromat i krom(III) spojevi) talože se na površinama grijača i tvore izolacijske slojeve koji ograničavaju prijenos topline i izazivaju lokalno pregrijavanje. Iz iskustva na proizvodnim linijama za metaliziranje utvrđeno je da su omotači od titana s donekle hrapavom površinom (Ra ≈ 3,2 μm) bolji od zrcalnih-završenih omotača (Ra < 0,2 μm) u otpornosti na nakupljanje-prianjajućih kromatnih naslaga. Ovaj neočekivani rezultat posljedica je mehanike adhezije naslaga gdje glatke površine imaju tendenciju podržavanja snažnog kemijskog povezivanja, a umjereno hrapave površine imaju tendenciju pružanja slabog mehaničkog sučelja gdje se naslage otcjepljuju tijekom ciklusa topline. Istraživanje pokriva mehanizam i predlaže završnu obradu površine za uslugu tvrdog kromiranja.

Utjecaj mehanizama prianjanja naslaga na mehanički integritet
Kromatne naslage nastaju na površinama titana putem mehanizma taloženja: Cr(VI) u otopini reducira se u Cr(III) na vrućoj površini omotača kako bi se stvorio želatinozni krom hidroksid koji dehidrira u prianjajući oksid. Na površini titana sa zrcalnom završnom obradom (Ra manje od ili jednako 0,2 μm) sučelje između taloga i titana gotovo je izvrsno. Van der Waalsove sile i kemijska veza između njih daju veliku snagu prianjanja. Sloj se čvrsto opire uklanjanju cikličkim promjenama temperature, protokom tekućine ili nježnim četkanjem. Talog se zgušnjava i izolira omotač, povećavajući temperaturu površine omotača i potičući dodatno taloženje. Na donekle hrapavoj površini (Ra=2.5-4.0 μm), talog se mehanički spaja s nepravilnostima, ali ne stvara tako jaku kemijsku vezu jer su vrhovi hrapavosti prvenstveno oksidirani. Još važnije, razlika u toplinskom širenju naslaga kromata (koeficijent=5-6 x 10 -6 / stupanj ) i titana (8,6 x 10 -6 / stupanj ) proizvodi sile smicanja na sučelju. Na hrapavoj površini ti se pritisci koncentriraju u podnožju udolina hrapavosti, što dovodi do otpadanja naslaga u malim ljuskicama umjesto stvaranja debelog kontinuiranog sloja. Terenski podaci iz linija tvrdog kromiranja pokazuju da se površine grijača održavaju čistima sa samo 0,1–0,2 mm naslaga nakon 1000 sati s Ra 3,2 μm, dok su zrcalno-grijači prekriveni s 0,8–1,2 mm tvrdokornih naslaga u isto vrijeme.

Učinak na toplinsku izvedbu: Učinak-samočišćenja
Pomalo hrapava površina omogućuje-termalni ciklus samočišćenja. Titanski omotač se širi i skuplja tijekom tipičnog uključivanja-isključivanja grijača (npr. kontrola temperature kupke). Hrapava površina je slijed porasta naprezanja na kontaktu-titana. Studija konačnih elemenata otkriva da je međupovršinski smični napon na vrhovima površine Ra=3.2 μm otprilike 3 puta veći od onoga na površini Ra=0.2 μm za isti ΔT. Ovo naprezanje je veće od čvrstoće prianjanja kromatnog taloga i izaziva mikro-ljuštenje. Otpucane čestice padaju u kadu i filtriraju se. Blago hrapava površina nameće zanemarivu toplinsku kaznu; stvarna površina je samo 5-10% veća od površine polirane površine, a konvektivni granični sloj (normalno debljine 50-100 μm) nije pod utjecajem hrapavosti ispod Ra=10 μm. Koeficijenti prijenosa topline su gotovo isti.

Kompromis-sinteze: završna obrada površine u odnosu na nakupljanje naslaga-
Površinska obrada Ra (µm) Snaga prianjanja naslaga Debljina naslaga nakon 1000 sati (mm) Tvrdi krom – potrebna učestalost čišćenja Preporučeno?
Elektropolirano (zrcalno polirano) 0,1 – 0,2 Vrlo visoko (kemijsko vezivanje) 0,8 – 1,2 mm Tjedno (kiselo umakanje) Ne – tvrdokorne naslage
Mehanički polirano (600 grit) 0,3 – 0,5 Visoko 0,5 – 0,8 mm Svaka dva tjedna Rub
Kao -izvučeno (završna obrada) 1,2 – 1,8 Umjereno 0,3 – 0,5 mm Mjesečno prihvatljivo
Pjeskarena fina staklena perla 2,5 – 3,5 Niska (lako se lomi) 0,1 – 0,2 mm Tromjesečno ili duže Da – optimalno
Pjeskareno (gruba glinica) 5,0 – 7,0 Vrlo nisko < 0,1 mm Rijetko Prihvatljivo, ali može zarobiti zagađivače
Mediji za pjeskarenje i inženjering naknadne obrade Beyond the Finish
Za teške usluge kromiranja, fino pjeskarenje staklenim kuglicama (50–100 μm kuglica pri tlaku od 2–3 bara) daje optimalni Ra od 2,5–3,5 μm bez ugrađenih nečistoća. Ne preporučuje se pjeskarenje glinice jer ugrađene čestice glinice mogu poslužiti kao galvanska mjesta. Pasivacija dušičnom kiselinom (20% HNO3 na 50 stupnjeva tijekom 20 minuta) uklanja bilo kakvo ugrađeno željezo ili krom iz materijala za pjeskarenje i obnavlja pasivni film nakon pjeskarenja. Nemojte brisati ili polirati pjeskarenu površinu nakon pjeskarenja jer to ostavlja mrlje na površini i smanjuje djelovanje samočišćenja.

Zaključak: Hrapava površina (Ra ~ 3,2 μm). Pruža prednost samo-čišćenja
U liniji za tvrdo kromiranje koja koristi 250 g/L kromne kiseline na 60 stupnjeva, titanski omotač s nešto grubljom površinom (Ra ≈ 3,2 μm, dobiven finim pjeskarenjem staklenih kuglica) je poželjniji od zrcalno-završenog omotača jer hrapava površina olakšava pucanje naslaga kromata pod toplinskim cikliranjem. Slabo mehaničko sučelje u kombinaciji s koncentriranim toplinskim posmičnim naprezanjima uzrokuje ljuštenje naslaga prije nego narastu do izolacijske debljine. Zrcalna-površina doprinosi snažnoj kemijskoj vezi koja uzrokuje brzo nakupljanje naslaga, pregrijavanje i potrebu za redovitim čišćenjem. Predložena specifikacija za grijače od tvrdog kroma je omotač od titana sa pjeskarenim poliranjem površine Ra=2.5–3,5 μm i kasnijom pasivizacijom dušičnom kiselinom. Naznačite proizvođaču koliko toplinskih ciklusa (ciklusi uključivanja-isključivanja po danu) očekujete i provjerite radi-sustav samočišćenja. Debljina stijenke (obično 1,2-1,5 mm) odabire se pojedinačno prema zahtjevima tlaka i rukovanja. Debljina nema utjecaja na prianjanje nanosa.