Selittämätön titaanilämmittimen vika
Kullatun linjan valvoja poistaa titaani-upotuslämmittimen vain 14 kuukauden käytön jälkeen. Ulkopinta näyttää suurelta osin koskemattomalta lukuun ottamatta hajallaan olevia putken seinämän läpäiseviä reikiä. Lämmitin määriteltiin sen korroosionkestävyyden vuoksi hapettavissa hapoissa. Silti se epäonnistui ennenaikaisesti kylpykemiassa, jota pidettiin yhteensopivana titaanin kanssa.
Tämä vikakuvio toistuu kullanpinnoitusoperaatioissa maailmanlaajuisesti. Titaaniset uppolämmittimet, jotka on valittu erityisesti niiden korroosionkestävyyden vuoksi, kehittävät paikallisia pistesyöpymiä ympäristöissä, joissa tasaiset korroosionopeudet ennustavat vuosien käyttöiän. Katkos ennustetun ja todellisen suorituskyvyn välillä johtuu väärinymmärryksestä titaanin korroosiomekanismista jalometallipinnoituselektrolyyteissä.
Titanium Pittingin sähkökemia
Titaani kestää korroosiota ohuen, sitkeän passiivisen titaanidioksidikalvon kautta, joka muodostuu spontaanisti altistuessaan ilmalle tai hapettaville liuoksille. Puhtaassa rikki- tai typpihapossa tämä passiivinen kerros pysyy vakaana. Kullatut kylvyt ovat kuitenkin harvoin puhtaita yksi-happojärjestelmiä.
Sitraatti-pohjaiset kultapinnoituselektrolyytit sisältävät kompleksinmuodostajia, jotka voivat kelatoida titaani-ioneja ja horjuttaa passiivista kalvoa paikallisissa kohdissa. Happamat kultaiskut sisältävät usein pieniä määriä kloridia sisäänvetämisestä tai tahallisista lisäyksistä anodien korroosion parantamiseksi. Syanidi-pohjaiset kultakylvyt, vaikkakin emäksiset, voivat sisältää fluoridia aikaisemmista prosessivaiheista, jotka on viety kylpyyn työkappaleen pinnoilla.
Kloridi-ionit ovat titaanin ensisijainen pistesyöjä happamissa ympäristöissä. Yksittäinen kloridi-ioni, joka adsorboituu passiivisen kalvon heikkoon kohtaan, käynnistää paikallisen hajoamisen. Kun kalvo repeää kyseisessä mikroskooppisessa kohdassa, paljastettu titaani-jalometalli muuttuu anodiseksi suhteessa ympäröivään passiiviseen pintaan. Tämä galvaaninen pari ajaa nopean paikallisen liukenemisen, kun taas suurin osa pinnasta näyttää muuttumattomalta.
Fluori-ionit ovat vieläkin aggressiivisempia. Fluorivetyhappo, jopa ppm-pitoisuuksilla, liuottaa titaanidioksidia ja titaanimetallia samanaikaisesti. Titaanilämmitin kullanpinnoituslinjalla, joka prosessoi osia, jotka on syövytetty aiemmin fluori--pitoisissa liuoksissa, altistaa kumulatiivisen fluoridikontaminaation riskin.
Taulukko 1: Titaanin pisteytysherkkyys vs. PTFE:n inerttiys kultapinnoituskylvyn epäpuhtauksissa
| Epäpuhtaus | Vaikutus titaanilämmittimeen | Kynnyspitoisuus | Vaikutus PTFE-lämmönvaihtimeen |
|---|---|---|---|
| Kloridi (Cl⁻) | Pisteitä yli 200 ppm pH:ssa < 4 | 200 ppm | Ei mitään |
| Fluori (F⁻) | Univormu + kuoppaus missä tahansa kons. | < 5 ppm detectable attack | Ei mitään |
| Sitraattikompleksit | Kelaatti{0}}avusti hajoamisen | Vaihtelee pH:n mukaan | Ei mitään |
| Syanidi (CN⁻) | Hidas hyökkäys alkalisissa olosuhteissa | >500 ppm | Ei mitään |
| Fe³⁺ (hapetusaine) | Estää kuoppien muodostumista, jos sellainen on | Hyödyllinen yli 100 ppm | Ei mitään |
Kynnystiedot NACE-titaanin korroosioohjaimista ja kultapinnoituslaitoksen vikatutkimuksista.
Kontaminaatiokaskadi
Pistekorroosio titaanilämmittimessä tekee muutakin kuin lyhentää laitteen käyttöikää. Jokainen putken seinämän läpäisevä kuoppa tuo titaani-ioneja kultapinnoituselektrolyyttiin. Liuennut titaani saostuu kullan kanssa, mikä muuttaa kerrosten värin himmeäksi, ruskehtavaksi, jota ei voida hyväksyä koristeellisissa tai elektronisissa sovelluksissa.
Titaanin kontaminaatio lisää myös saostumisstressiä. Kullaus puolijohde- ja liitinsovelluksissa vaatii vähäistä-jännitystä johtimien liittämistä ja juotettavuutta varten. Titaani-ionit, jopa 5-10 ppm:ssä, lisäävät mitattavasti sähkösaostetun kullan vetojännitystä, mikä johtaa mikrohalkeiluihin ja luotettavuushäiriöihin.
Taloudelliset vaikutukset yhdistyvät. Lämmittimen vaihtokustannukset ovat välittömät kulut. Kylpyammeen puhdistaminen tai vaihtaminen titaanikontaminaation poistamiseksi lisää prosessikustannuksia. Titaanin havaitsemattomasta liukenemisesta johtuva erikoistuotanto luo suurimmat piilokustannukset pienentyneen tuoton ja mahdollisten asiakkaiden tuoton ansiosta.
Miksi PTFE-lämmönvaihdin on kemiallisesti immuuni
PTFE-lämmönvaihdin toimii kultapinnoituskylvyissä ilman korroosiomekanismeja, jotka tuhoavat titaaniyksiköitä. Fluorihiilimolekyylirakenne ei sisällä metallisia elementtejä, passiivista kalvoa eikä sähkökemiallista aktiivisuutta.
Kloridi-ioneilla, jotka aloittavat pisteen muodostumisen titaanissa, ei ole kemiallista vuorovaikutusta PTFE:n kanssa. Hiili-fluorisidos on vahvempi kuin mikään sidoskloridi, joka voi muodostua polymeerin kanssa. Fluori-ionit, jotka liuottavat titaanidioksidia ja hyökkäävät titaanimetalliin, ovat yhtä inerttejä PTFE:tä kohtaan. Materiaali on jo täysin fluorattu; fluoridi-ionit eivät voi enää reagoida sen kanssa.
Sitraattikompleksin muodostavat aineet, syanidi-ionit ja metalliset epäpuhtaudet, jotka vaikeuttavat titaanin korroosiokäyttäytymistä, ovat kemiallisesti näkymättömiä PTFE:lle. Fluoripolymeeripinnan elektrolyytissä on vain hiili- ja fluoriatomeja. Ei ole olemassa korroosio-, piste- tai liukenemismekanismia.
Lämpöstabiilisuus ilman kemiallista hajoamista
Kullatut kylvyt toimivat 40-65 asteessa erityisestä koostumuksesta riippuen. Tämä lämpötila-alue ei aseta haastetta PTFE:n lämpöstabiiliudelle, joka ulottuu 260 asteeseen ennen hajoamisen alkamista.
Titaanilämmittimet kultakylvyissä kohtaavat erilaisen lämpöhaasteen. Pistekorroosionopeudet kiihtyvät eksponentiaalisesti lämpötilan myötä. Titaanilämmitin, joka toimii 60 asteen kaivoissa noin neljä kertaa nopeammin kuin yksi 40 asteen kulmassa. Prosessinsinöörit alentavat joskus kylvyn lämpötilaa lämmittimen käyttöiän pidentämiseksi, mikä vaarantaa pinnoitusnopeuden ja suorituskyvyn. PTFE-lämmönvaihdin poistaa tämän rajoitteen, mikä mahdollistaa toiminnan optimaalisessa pinnoituslämpötilassa ilman huolta laitteiden kiihtyvästä korroosiosta.
Kenttätiedot liitinpinnoituslaitoksesta
Liittimien valmistaja, joka käyttää selektiivisiä kela{0}}kelalle-kullauslinjoja, vaihtoi titaaniset uppolämmittimet 12–18 kuukauden välein. Vikaanalyysi tunnisti johdonmukaisesti kloridipisteen perimmäiseksi syyksi huolimatta siitä, että kylvyn kloridipitoisuudet olivat alle 150 ppm. Paikallinen kloridipitoisuus lämmittimen pinnalla, lämpögradienttien tehostamana, ylitti bulkkikylvyn mittauksen riittävästi aloittaakseen pisteen muodostumisen.
Laitos muutti kokeena yhden pinnoituskennon PTFE-lämmönvaihtimeksi. PTFE-yksikkö, joka on mitoitettu vastaamaan 30 kW:n lämmitystehoa 3 bargin höyryllä, rakennettiin ulkohalkaisijaltaan 8 mm:n ohutseinämäisestä letkusta verkkokokoonpanossa. 30 kuukauden jatkuvan käytön jälkeen PTFE-lämmönvaihdin ei osoittanut kemiallista hajoamista, ei muutosta lämmönsiirtosuorituskyvyssä eikä havaittavissa olevia fluori- tai kloridivaikutuksia. Titaanipitoisuus PTFE-yksikön palvelemassa kultakylvyssä pysyi analyyttisten havainnointirajojen alapuolella.
Yhteenveto
Titaaniset uppolämmittimet epäonnistuvat kultapinnoituskylvyissä pistekorroosion vuoksi, jonka aiheuttavat kloridi- ja fluoridikonsentraatiot usein turvallisina pidetyissä pitoisuuksissa. Pistekorkeuden paikallinen luonne tekee epäonnistumisesta arvaamatonta ja aiheuttaa titaanin kontaminaatiota, joka heikentää kultakerrostumien laatua.
PTFE-lämmönvaihdin eliminoi sekä korroosio- että kontaminaatiomekanismit. Ei passiivista kalvoa tarkoita, ettei pistesyöpymispaikkoja ole. Kemiallinen inertisyys kloridille, fluorille, sitraatille ja syanidille tarkoittaa, ettei kultakylpykemiassa ole korroosiota. Nolla metallipitoisuus tarkoittaa nollametalli-ionien kontaminaatiota pinnoituselektrolyytissä.
Kultausoperaatioissa, joissa esiintyy selittämättömiä titaanilämmittimen vikoja tai titaanin kontaminaatioongelmia, PTFE-lämmönvaihtimen mitoitus on saatavilla, kun kylvyn kemia, käyttölämpötila, säiliön mitat ja käytettävissä olevat lämmitysaineen tekniset tiedot on toimitettu.
