Đối với bể mạ Chrome hoạt động ở góc 60 độ với mật độ dòng điện cao, bề mặt Titan nào (ngâm, đánh bóng hoặc phun cát) chống lại sự tấn công điện tốt nhất?

Bể mạ crom cung cấp môi trường điện hóa rất tích cực cho các thiết bị sưởi ấm ngâm trong nước. Bể thường chứa 250-400 g/L axit cromic (CrO₃) với tỷ lệ xúc tác sunfat là 100:1, chạy ở nhiệt độ 55-65 độ và chịu được mật độ dòng điện cao (20-60 A/dm²) trong quá trình mạ. Ống gia nhiệt titan thường được sử dụng trong dịch vụ này vì khả năng chống lại axit cromic oxy hóa. Tuy nhiên, một dạng hư hỏng cụ thể, tấn công điện, có thể xảy ra khi bề mặt titan tiếp xúc với dòng điện rò từ bộ chỉnh lưu mạ hoặc khi nó hình thành các tế bào điện hóa cục bộ với các thành phần kim loại khác. Sự tấn công của điện cực lên bộ gia nhiệt bằng titan đặc biệt nhạy cảm với lớp hoàn thiện bề mặt được sử dụng trong quá trình sản xuất, không giống như hiện tượng ăn mòn hoặc rỗ đồng nhất. Các lớp hoàn thiện được ngâm, đánh bóng và phun cát mang lại các đặc tính oxit bề mặt khá đa dạng, độ ổn định màng thụ động và hoạt động điện hóa trong dung dịch axit cromic. Bài viết này phân tích khả năng chống ăn mòn điện hóa của từng phương pháp xử lý bề mặt titan trong các trường hợp mạ crom và xác định lớp hoàn thiện nào mang lại tuổi thọ dài nhất khi máy sưởi cần hoạt động với dòng mạ mật độ cao.

Cơ chế mạ điện trong môi trường axit cromic
Hai cơ chế tấn công điện của ống gia nhiệt titan trong bể mạ crom được mô tả. Đầu tiên bao gồm sự tiếp xúc điện trực tiếp giữa titan và kim loại có tính catốt cao hơn, thường là cực dương bằng chì hoặc hợp kim chì{1}}được sử dụng trong mạ crom hoặc thành bể bằng thép không gỉ. Khi các kim loại khác nhau này được ghép điện bằng chất điện phân trong bể, titan sẽ trở thành cực dương và hòa tan với tốc độ nhanh. Cơ chế thứ hai là do dòng điện rò của bộ chỉnh lưu mạ gây ra. Mạ Chrome sử dụng cực âm phôi và cực dương chì. Bất kỳ bề mặt dẫn điện không được cách điện nào trong bể đều có thể nhận dòng điện rò rỉ, dẫn đến sự hòa tan anốt (nếu đóng vai trò là cực dương) hoặc tạo ra hydro và có thể gây giòn (nếu hoạt động như cực âm). ở axit cromic, titan không ở cùng vị trí của dãy galvanic như trong môi trường trung tính hoặc môi trường khử. Titan có màng thụ động rất ổn định và hoạt động giống như kim loại quý (như bạch kim trong một số phép đo điện hóa) khi oxy hóa axit cromic (nồng độ Cr6+ trên 200 g/L, thế oxy hóa khử trên +1.2 V so với SHE). Tuy nhiên, đây là một đặc tính cao quý khiến titan trở thành catốt cho hầu hết các vật liệu khác bao gồm chì, thép không gỉ và thép cacbon. Khi tiếp xúc với những kim loại này, titan được bảo vệ và kim loại tiếp xúc bị ăn mòn - ngược lại với nước mặn.

Vấn đề nảy sinh đối với lò sưởi titan khi sự thay đổi cục bộ về độ dày hoặc thành phần của oxit bề mặt tạo ra các tế bào điện giữa các khu vực khác nhau của cùng một ống titan. Ví dụ: bề mặt được phun cát có lớp oxit-bị hư hỏng cơ học không đồng nhất với các vùng kim loại bị căng và các hạt mài mòn bám vào. Thay vào đó, một tấm TiO2 mịn, đồng nhất về mặt hóa học tượng trưng cho một bề mặt được đánh bóng. Khi có dòng điện rò hoặc gradient điện thế cục bộ, các vùng ít được bảo vệ hơn của bề mặt không đồng nhất có thể bị ăn mòn. Titan khối hoàn toàn thụ động, nhưng sự tự ăn mòn điện-này có thể làm thủng thành lò sưởi trong dịch vụ mạ crom trong vài tháng.

Độ ổn định oxit và đặc tính hoàn thiện bề mặt
Bề mặt titan ngâm chua thu được bằng cách ngâm trong dung dịch axit hỗn hợp, thường là 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF ở 30-50 độ trong 2-10 phút. Quá trình tẩy rửa loại bỏ lớp vỏ alpha (lớp bề mặt bị ô nhiễm oxy hình thành trong quá trình gia công nóng hoặc ủ) và tạo ra bề mặt màu xám mờ được khắc đồng đều với độ nhám được kiểm soát (Ra 0,8-1,6 µm). Bề mặt titan được ngâm đúng cách có lớp phủ oxit mỏng (5-10 nm) là TiO2 cân bằng hóa học và không chứa tạp chất. Các bề mặt ngâm có điện thế mạch hở không đổi từ +0.8 đến +1.1 V so với SCE và mật độ dòng điện thụ động là<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Bề mặt titan được đánh bóng được mài mòn cơ học bằng chất mài mòn ngày càng mịn hơn để tạo thành lớp hoàn thiện như gương (Ra 0,1–0,4 µm). Đánh bóng tạo ra một bề mặt rất mịn với lớp oxit dày đặc và không có khuyết tật. Tuy nhiên, việc đánh bóng cơ học có thể tạo ra ứng suất nén dư và có thể nhúng các hạt mài mòn nhỏ-micron (nhôm hoặc cacbua silic) vào bề mặt. Titan được đánh bóng trong axit cromic thể hiện điện thế mạch hở-cao nhất (+1.0 đến +1.2 V so với SCE) và mật độ dòng điện thụ động thấp nhất (dưới 0,005 mA/cm²). Titan được đánh bóng rất quý nên nó tạo ra cực âm tuyệt vời khi kết hợp với các kim loại khác. Tuy nhiên, tính đồng nhất bề mặt của ống được đánh bóng có nghĩa là khả năng tự ăn mòn điện giữa các bộ phận khác nhau của ống thấp.

Bề mặt titan phun cát được hình thành bằng cách tác động (nhôm oxit, cacbua silic hoặc hạt thủy tinh) vào môi trường mài mòn ở tốc độ cao. Quá trình phun cát tạo ra một bề mặt thô ráp và cứng -(Ra 2.0-5.0 µm) với các mảnh mài mòn nhúng vào, bề mặt kim loại bị rách và lớp oxit bị biến dạng cao. Oxit trên titan phun cát không phải là màng thụ động liên tục mà là hỗn hợp của TiO_2, các oxit phụ (TiO, Ti_2O_3) và titan trần ở đáy các miệng hố va chạm. Điện thế mạch hở của các bề mặt được phun cát trong axit cromic thay đổi rất nhiều (−0,2 đến +0.6 V so với SCE) tùy thuộc vào mức độ biến dạng và môi trường bị mắc kẹt trên bề mặt. Mật độ dòng điện thụ động thường lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với bề mặt được ngâm hoặc đánh bóng, cho thấy sự hòa tan tích cực đang xảy ra tại các điểm mà màng oxit chưa hoàn chỉnh.

Đo mật độ dòng điện Galvanic
Thử nghiệm điện hóa có kiểm soát bằng ampe kế điện trở bằng không (ZRA) cho phép so sánh định lượng xu hướng điện giữa các lớp hoàn thiện bề mặt khác nhau và với các kim loại khác. Dòng điện được đo giữa các mẫu titan (diện tích 10 cm²) và các vật liệu bể thông thường khác trong bể mạ crom (250 g/L CrO₃, 2,5 g/L H₂SO₄, 60 độ):

Titan ngâm được kết hợp với cực dương chì (tiếp xúc kim loại khác nhau phổ biến nhất trong bể mạ crôm) biểu hiện mật độ dòng điện 0,02 mA/cm2 trên bề mặt titan - không đáng kể và khó có thể gây ra sự mất mát titan đáng chú ý trong khoảng thời gian 5 năm. Đèn led titan được đánh bóng thành chì cho dòng điện 0,01 mA/cm2, cũng rất ít. Titan phun cát liên kết với chì, titan là cực dương, là 0,25 mA/cm2. Mật độ dòng điện chuyển thành tốc độ hòa tan titan khoảng 0,15 mm mỗi năm, đủ để làm mỏng thành ống 1,65 mm đến mức thủng trong 5-7 năm.

Dòng điện 0,03 mA/cm2 được đo khi titan ngâm muối được nối với thành bể bằng thép không gỉ (loại 316L). Titan có tính chất cực âm (được bảo vệ) và anốt bằng thép không gỉ. Titan đánh bóng cho 0,02 mA/cm2. Titan được phun cát tạo ra dòng điện 0,08 mA/cm2, titan là cực dương tại các điểm hoạt động cục bộ và xảy ra hiện tượng tấn công kiểu rỗ-.

Tình trạng điện hóa nghiêm trọng nhất đối với lò sưởi titan là do dòng điện chỉnh lưu đi lạc gây ra. Khi vô tình được liên kết, một cực âm phụ của lò sưởi (ví dụ: đường nối đất hoàn thành mạch điện đến cực âm của bộ chỉnh lưu) sẽ tạo ra sự giải phóng hydro trên bề mặt titan. Sự phát triển hydro trên titan ngâm bắt đầu ở khoảng −0,6 V so với SCE và mạnh ở điện thế dưới −0,8 V. Hydro được hấp thụ gây ra hiện tượng giòn, nhưng không xuyên qua thành ngay lập tức. Quá trình phát triển hydro bắt đầu ở điện thế âm ít hơn (−0,4 V so với SCE) đối với titan được phun cát và kèm theo sự bong tróc của lớp bề mặt bị biến dạng, làm lộ ra titan mới hấp thụ hydro nhanh. Đối với cực âm{11}}được phân cực, các lớp hydrua hình thành trong 100 giờ trên bề mặt được phun cát, sau đó nứt vỡ.

Ma trận lựa chọn bề mặt hoàn thiện bề mặt mạ Chrome
Bảng sau đây là hướng dẫn lựa chọn đầy đủ dựa trên cấu hình bể, phương pháp nối đất chỉnh lưu và tuổi thọ dự kiến ​​của máy sưởi.

Cấu hình bồn chứa & Điều kiện vận hành Độ dày bề mặt hoàn thiện bằng titan được khuyến nghị (mm) Biện minh và tuổi thọ sử dụng dự kiến
Lắp đặt bộ gia nhiệt cách điện Nối đất riêng cho bộ chỉnh lưu Không có kết nối điện trực tiếp tới cực dương/cực âm Được ngâm (Bình thường) 1,2-1,65 mm Bề mặt được ngâm tạo ra màng thụ động ổn định với ít hoạt động tự điện. Tuổi thọ sử dụng thường là 5-8 năm.
Bộ gia nhiệt có mặt bích với thùng thép không gỉ, nối đất chung với bộ chỉnh lưu mạ. Được đánh bóng 1,5-1,65 mm Bề mặt mịn hơn làm giảm khả năng ghép điện với thép không gỉ; Giới quý tộc cao hơn làm giảm tuổi thọ của dòng điện đi lạc. 6-10 năm.
Bộ gia nhiệt trên cùng một thanh cái với cực dương chì (được kết nối bằng điện)Được đánh bóng 1,65-2,0 mm Bề mặt được đánh bóng là cực âm cao, bảo vệ bộ gia nhiệt bằng cách giảm tuổi thọ của cực dương; phù hợp nếu dự đoán được mức tiêu thụ anode.
Bể điều khiển dòng rò kém Tiếp xúc thường xuyên giữa bộ gia nhiệt và phôi Gia công cách điện + cách điện (ống lót PTFE) 1,65 mm Bề mặt hoàn thiện ít cần thiết hơn nếu cách ly thích hợp; ngâm chua là tiết kiệm; thay thế nếu vết xước để lộ kim loại trần.
Bể khuấy trộn cao với sương mù axit cromic mài mòn (khả năng ăn mòn hạt) Phun cát (có chủ ý) 2,0 mm trở lên Chấp nhận giảm tuổi thọ mạ điện (3-5 năm) để tuân thủ lớp phủ. Việc phun cát chỉ được áp dụng cho độ bám cơ học trên lớp phủ.
Trang bị thêm cho bình chứa với điều kiện nối đất không xác định Bề mặt được đánh bóng dày 1,65 mm mang lại khả năng chống lại sự tấn công điện từ các dòng điện đi lạc không xác định cao nhất. Kiểm tra sau sáu tháng.
Ý nghĩa thực tế đối với thông số kỹ thuật của máy sưởi
Chất lượng bề mặt của lò sưởi ngâm titan không chỉ được xem xét về mặt thẩm mỹ mà còn là yếu tố tương thích điện với môi trường của bể mạ crôm. Lớp hoàn thiện ngâm, phổ biến trong ngành đối với hầu hết các thành phần titan, thích hợp cho việc lắp đặt lò sưởi được nối đất và cách điện đúng cách, đồng thời trong đó kết nối điện duy nhất là thông qua tiếp xúc thụ động với bồn tắm. Tuy nhiên, đối với các máy sưởi được nối đất bằng bộ chỉnh lưu mạ, để lắp mặt bích tiếp xúc với thành bể bằng thép không gỉ hoặc khi lo ngại dòng điện đi lạc, lớp hoàn thiện được đánh bóng sẽ mang lại sự cải thiện đáng kể về điện trở. Độ quý phái cao hơn và tính đồng nhất rõ ràng của titan được đánh bóng làm giảm động lực cho khớp nối điện và số lượng vị trí hoạt động để tấn công cục bộ.

Tránh phun cát hoàn thiện cho dịch vụ mạ crom trừ khi có yêu cầu cụ thể về độ bám dính của lớp phủ (ví dụ: lớp phủ PTFE để giảm lực cản của axit crom-). Hư hỏng cơ học và chất mài mòn bị mắc kẹt tạo ra một bề mặt không đồng nhất, hoạt động điện hóa, hỗ trợ dòng điện cao hơn 5-20 lần so với bề mặt được ngâm hoặc đánh bóng. Máy sưởi bằng titan phun cát trong bể mạ crôm đã hỏng do thủng điện chỉ trong vòng 18 tháng, so với 7-10 năm đối với máy sưởi được đánh bóng trong cùng dịch vụ.

Kết luận dành cho kỹ sư mạ Chrome
Trong trường hợp đặt hàng ống gia nhiệt titan cho bể mạ crom làm việc ở góc 60 độ và mật độ dòng điện cao, khi cách ly điện với mạch mạ có thể không được đảm bảo, chất lượng bề mặt tốt nhất cần chỉ định là được đánh bóng (lớp hoàn thiện như gương, Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,4 µm). Các điện thế mạch hở cao nhất của bề mặt được đánh bóng, dòng điện thụ động thấp nhất và khả năng chống phân hủy tốt nhất do dòng điện đi lạc gây ra đã được tìm thấy. Lớp hoàn thiện được ngâm hóa (Ra 0,8-1,6 µm) mang lại tuổi thọ sử dụng tương đương với chi phí giảm cho các hệ thống gia nhiệt được cách ly hoàn toàn với các tuyến đường mặt đất chuyên dụng và không tiếp xúc với cực dương hoặc thành bể. Việc hoàn thiện phun cát không được khuyến khích cho bất kỳ ứng dụng mạ crom nào vì hoạt tính điện hóa cao và tỷ lệ hỏng hóc nhanh của chúng. Lò sưởi titan thương mại tiêu chuẩn thường được cung cấp với lớp hoàn thiện có thể thay đổi (ủ hoặc rút ra) có thể không đủ cho dịch vụ mạ crom. Các kỹ sư nên nêu rõ độ hoàn thiện bề mặt trong tài liệu mua sắm. Thông số kỹ thuật bề mặt được đánh bóng sẽ làm tăng thêm 10-15% chi phí của bộ sưởi nhưng giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng thêm 50-100%. Đây là một trong những lợi tức đầu tư thuận lợi nhất có thể có khi lựa chọn thiết bị phòng tắm mạ crôm.