Aggressiivinen Etchant Environment
Rautakloridi-etsausaine toimii 40-55 asteessa pitoisuuksilla 35-45 % FeCl3. Liuos on aggressiivinen metalleille perustavanlaatuisesta sähkökemiallisesta syystä: rauta-ioni on voimakas hapetin, jolla on korkea pelkistyspotentiaali. Se vastaanottaa helposti elektroneja useimmista metalleista ja hapettaa ne liuokseksi, kun taas rauta-ioni pelkistyy rautametalliksi.
Tämä korkea redox-potentiaali tekee rautakloridista erinomaisen etsausaineen kuparille, ruostumattomalle teräkselle ja nikkeliseoksille piirilevyjen ja metallien viimeistelytoiminnoissa. Se tekee siitä myös vakavasti syövyttävän metallisia lämmönvaihdinmateriaaleja. Sama elektronin-siirtoreaktio, joka syövyttää työkappaleita, hyökkää lämmönvaihtimen pintaan.
Hastelloy C-276:ta pidetään laajalti yhtenä korroosionkestävimmistä saatavilla olevista nikkelilejeeringeistä. Sen korkea nikkeli-, kromi- ja molybdeenipitoisuus tarjoaa vastustuskyvyn hapettavia ja pelkistäviä happoja vastaan. Rautakloridissa jopa Hastelloy C-276:lla on kuitenkin mitattavissa olevia korroosiorajoituksia, jotka vaikuttavat lämmönvaihtimen käyttöikään.
Hastelloy C-276 -korroosiomekanismi rautakloridissa
Hastelloy C-276 vastustaa rautakloridia passiivisen kalvon kautta, joka sisältää runsaasti kromia ja molybdeenioksideja. Korkea molybdeenipitoisuus, noin 15-17%, on erityisesti sisällytetty kestämään piste- ja rakokorroosiota kloridiympäristöissä. Tämä seostusstrategia toimii hyvin merivesi- ja neutraalikloridiliuoksissa.
Kuuma hapan rautakloridi on erilainen ympäristö. Korkean kloridipitoisuuden, ferri-ionien hydrolyysistä johtuvan alhaisen pH:n ja voimakkaan hapetuspotentiaalin yhdistelmä rasittaa passiivikalvoa jatkuvasti. Passiivinen kalvo liukenee ja uudistuu dynaamisesti. Mikroskooppisissa pintavirheissä, inkluusioissa ja raerajoissa liukenemisnopeus voi ylittää uudelleenpassivaationopeuden. Aloittaa kuoppa.
Kun kuoppa muodostuu, sisäpuolen kemiasta tulee aggressiivisempaa. Rautaionikonsentraatti. pH laskee edelleen. Ympäröivä passiivinen pinta toimii katodina ja nopeuttaa anodista liukenemista kuopan sisällä. Kuoppa kasvaa autokatalyyttisesti, kun taas pinnan loppuosa näyttää muuttumattomalta.
Taulukko 1: Korroosionopeuden vertailu 40 % FeCl3:ssa 50 asteessa
| Korroosioparametri | Hastelloy C-276 | PTFE |
|---|---|---|
| Tasainen korroosionopeus (mm/vuosi) | 0.05-0.15 | 0 |
| Pistekorroosio | Kyllä; arvaamaton aloitus | Ei mitään |
| Rakokorroosio kerrostumien alla | Kohtalainen riski | Ei mitään |
| Kriittinen pistesyöpymislämpötila FeCl3:ssa | 40-45 astetta (pitoisuudesta riippuen) | Ei käytössä (ei pistelyömekanismia) |
| Odotettu käyttöikä (1,5 mm seinä) | 2-4 vuotta (rajoitettu) | 15+ vuotta |
| Korroosiovara vaaditaan | 1,0-2,0 mm | 0 mm |
| Epäonnistumisen ennustettavuus | Matala (äkilliset neulanreiän vuodot) | Ei käytössä (ei korroosiohäiriötä) |
| Etsausaineen metalli-ionikontaminaatio | Ni-, Cr-, Mo-ionit uuttuvat jatkuvasti | Ei mitään |
PTFE: Täydellinen immuniteetti
PTFE:n korroosionopeus ferrikloridissa on nolla. Tämä ei ole ekstrapolaatio alhaisista mitatuista nopeuksista. Se on termodynaaminen todellisuus. PTFE:n hiili-fluorisidosten sidosdissosiaatioenergiat ylittävät 480 kJ/mol. Rautakloridin pelkistyspotentiaali on noin 0,77 V. Rautaionien pelkistymisestä saatava energia ei riitä katkaisemaan hiili-fluorisidoksia.
Rauta-ionin hapettava voima, joka tekee siitä niin aggressiivisen metalleille, on kemiallisesti merkityksetön PTFE:lle. Fluoripolymeeri on jo täysin hapettunut kemiallisessa mielessä-hiiliatomit ovat sitoutuneet elektronegatiivisimpaan alkuaineeseen. Korkeampaa hapetusastetta ei ole saavutettavissa.
Piste- ja rakokorroosiomekanismit eivät koske PTFE:tä, koska materiaalissa ei ole passiivista kalvoa, raerajoja eikä mikrorakennevirheitä, jotka toimivat initiaatiokohdina. Pinnan naarmu ei muutu korroosiokohtaksi-se vain jää naarmuksi, joka on kemiallisesti identtinen ympäröivän pinnan kanssa.
Käytännön vaikutukset Etchant Bath -toimintoihin
Korroosionopeuserolla on kolme käytännön seurausta piirilevyjen ja metallien viimeistelyoperaatioissa.
Ensinnäkin Hastelloy C-276 -lämmönvaihtimet vaativat ajoitetun vaihdon konservatiivisten käyttöikäarvioiden perusteella. Käyttäjien on tasapainotettava ennenaikaisen vaurion riski ja kustannukset, jotka aiheutuvat laitteiden vaihtamisesta, joilla saattaa olla jäljellä jäljellä oleva käyttöikä. Tämä riskinhallinta eliminoituu PTFE:llä.
Toiseksi Hastelloy-korroosio vapauttaa nikkeli-, kromi- ja molybdeeni-ioneja etsausaineeseen. Nämä metalli-ionit kerääntyvät kylpyyn ja voivat vaikuttaa syövytysnopeuden tasaisuuteen. Kylpy vaatii useammin analysointia ja saattaa vaatia ennenaikaisen vaihdon metallikontaminaatiosta johtuen etsausaineen loppumisen sijaan. PTFE ei vapauta metalli-ioneja.
Kolmanneksi Hastelloyn arvaamaton pistevika voi aiheuttaa äkillisen kylvyn saastumisen tai höyryn vuotamisen vähäisellä varoituksella. PTFE-putket hajoavat ennakoitavissa olevien mekaanisten mekanismien -virumisen, väsymisen- avulla, jotka voidaan jäljittää ajoitetulla tarkastuksella sen sijaan, että ne ilmestyisivät äkillisesti.
Yhteenveto
PTFE:n ja Hastelloy C-276:n välinen korroosionopeusero kuumassa rautakloridi-etsausaineessa on käytännössä absoluuttinen: PTFE:ssä ei ole korroosiota, kun taas Hastelloy korroosio nopeudella 0,05–0,15 mm/vuosi ja alttius arvaamattomille pistesyöpytyksille. Sähkökemiallinen hapetusmekanismi, joka tekee ferrikloridista tehokkaan etsausaineen, ei kemiallisesti kykene hyökkäämään hiili-fluorisidoksia vastaan.
Tämän palvelun Hastelloy-lämmönvaihtimet vaativat korroosiovaran, ajoitetun vaihdon ja pistesyöpymisriskin hyväksymisen. PTFE-lämmönvaihtimet eivät vaadi mitään näistä toimenpiteistä. PTFE:n käyttöikää rajoittavat mekaaniset tekijät, eivät kemiallinen hajoaminen.
Tekninen analyysi PTFE:n vs. Hastelloy C-276 -lämmönvaihtimelle tietyissä etsaussovelluksissa on saatavilla, kun toimitetaan FeCl3-pitoisuus, käyttölämpötila, kylvyn tilavuus, lämpökäyttövaatimukset ja nykyinen laitteiden huoltohistoria.
