Inruil-voor titaniumoppervlakteafwerking in ijzerchlorideservice
IJzerchloride (FeCl 3 ) etsoplossingen zijn sterk oxiderend en agressief corrosief voor de meeste metalen. Typisch ijzerchloride is 42 graden Bé (ongeveer 40% FeCl3). Er is gekozen voor titanium vanwege de passieve TiO₂-laag, waardoor het bestand is tegen FeCl₃. Putjes zijn echter de lokale afbraak van de passieve coating, meestal bij oppervlaktefouten, insluitsels of spleten op microschaal. Oppervlakteafwerking, gemeten aan de hand van de gemiddelde ruwheid Ra, heeft een directe invloed op de hoeveelheid en grootte van mogelijke putvormingslocaties. Een gladder oppervlak (lage Ra) verwijdert microscopisch kleine scheuren en vermindert het aantal plaatsen voor de concentratie van chloride-ionen. Een zeer glad oppervlak (Ra < 0,2 µm) vereist elektrolytisch polijsten of mechanisch polijsten en brengt kosten met zich mee. De huidige studie bepaalde de correlatie tussen Ra-waarde en put-inductietijd in 42 graden Bé FeCl3 bij 50 graden en stelde de oppervlakteafwerking vast die de maximale duur vóór put-initiatie opleverde.

Impact op mechanische integriteit: putvorming en oppervlakteruwheid
Putjes in ijzerchloride-oplossing op titanium beginnen op plaatsen waar de passieve film het dunst is, of waar kloven de ophoping van chloride mogelijk maken. In een ruw oppervlak (Ra > 1,0 µm) zijn de valleien als microscheurtjes. Deze troggen zijn doorgaans 5–20 µm breed en de diepte is van dezelfde orde als de Ra-waarde. In deze valleien accumuleren chloride-ionen als gevolg van diffusiebeperkingen en de lokale pH neemt af als gevolg van hydrolyse van metaalchloriden, waardoor putjes ontstaan. Op een glad oppervlak (Ra < 0,4 µm) zijn de valleien ondiep (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Oppervlakteafwerking heeft ook een effect op het warmtetransport, maar is ondergeschikt aan de putweerstand. Het werkelijke oppervlak van een ruwer oppervlak is groter (2 tot 5 keer het geprojecteerde oppervlak voor Ra=1.5 µm, in het algemeen), wat in theorie de warmteoverdracht verbetert door het contactoppervlak met de ijzerchloride-oplossing te vergroten. In feite is de dikte van de convectieve grenslaag (meestal 50–200 µm) echter aanzienlijk groter dan de ruwheidskenmerken en daarom is de warmteoverdrachtscoëfficiënt vrijwel onafhankelijk van Ra voor waarden onder 5 µm. Elektrolytisch polijsten (Ra=0.1μm) verkleint het werkelijke oppervlak met ~5% vergeleken met een mechanisch gepolijst oppervlak, wat resulteert in een minimale (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Synthese van de afweging-: Ra-waarde versus pitting-inductietijd
Oppervlakteafwerking Ra-waarde (μm) Methode E_pit (V vs. Ag/AgCl) Inductietijd tot eerste put (uren, 42 graden Bé FeCl3, 50 graden) Relatieve kostenfactor
Zoals-getrokken (walsafwerking) 1,2 – 1,8 Geen +0.65 V 20 – 40 uur 1,0× Gebeitst (met zuur ontkalkt) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF-dip +0.70 V 50 – 100 uur 1,1× Mechanisch gepolijst (korrel 320) 0,4 – 0,6 Band- of wielpolijsten +0.80 V 300 – 500 uur 1,5×
Mechanisch polijsten (korrel 600) 0,2 – 0,3 Fijn schurend polijsten+0.88 V 2,0× 1,000 - 2,000 uur
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5.000 uur. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 maanden continu gebruik), terwijl-getekende oppervlakken binnen 1-2 dagen putten. De verbetering groeit exponentieel naarmate Ra afneemt.

Techniek na de afwerking: passivering en post-polijstbehandeling
Voor de beste weerstand tegen putjesvorming moet een elektrolytisch gepolijst oppervlak worden gevolgd door een passivatiestap met salpeterzuur (20% HNO 3 bij 50 graden gedurende 30 minuten). Deze behandeling leidt tot een homogene, defectvrije TiO2-laag die dikker en stabieler is dan de natuurlijke passieve film. Gepassiveerd elektrolytisch gepolijst titanium, in gebruik in ijzerchloride, vertoont na 10.000 uur laboratoriumtesten geen putjes. Als elektrolytisch polijsten te duur is voor de toepassing, zal mechanisch polijsten met korrel 600 (Ra ≈ 0,25 µm) en passivatie een inductietijd van 1.000–2.000 uur opleveren, wat geschikt is voor veel batch-etsprocedures waarbij de verwarmer tussen batches wordt verwijderd en gereinigd. De truc is om oppervlakteverontreinigingen (ijzerdeeltjes, vet of ingebedde schuurmiddelen) te vermijden die kunnen dienen als plaatsen voor het ontstaan ​​van putjes.

Conclusie: Elektrolytisch gepolijst (Ra kleiner dan of gelijk aan 0,15 μm) biedt de langste inductietijd
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 maanden. De mechanisch gepolijste oppervlakken (Ra=0.2–0,6 µm) leiden tot tussenliggende inductietijden van 300–2.000 uur, geschikt voor minder veeleisende toepassingen. Elektrolytisch polijsten heeft geen belangrijke thermische gevolgen. Specificeer verwarmers voor ijzerchloride-etsen met een elektrolytisch gepolijste oppervlakteafwerking, geverifieerd Ra van minder dan of gelijk aan 0,15 μm en passivatie in 20% salpeterzuur na het polijsten. Maar de hogere afwerkingskosten worden gecompenseerd door het vermijden van putproblemen-en de langere levensduur. Kies de geschikte oppervlakteafwerking op basis van de verwachte continue looptijd tussen onderhoudsintervallen. Voor elke toepassing langer dan 1.000 uur wordt elektrolytisch polijsten aanbevolen.