**Kun titaanivaippa lämmittää 20-prosenttista natriumtiosulfaatti-+ 1-prosenttista kuparisulfaattiliuosta 50 asteessa kullan huuhtouttamiseksi elektroniikkajätteestä, miksi 1,2 mm:n seinämän paksuus kestää rikin -aiheuttamaa jännityskorroosiohalkeilua taivutetuissa osissa 5000 tuntia, kun taas 0,80 tunnin sisällä 0,8 mm?
Titaanivaipat määritellään yhä useammin kullan liuottamiseen elektroniikkajätteestä käyttämällä tiosulfaatti{0}}pohjaisia liuoksia, jotka sisältävät 20 % natriumtiosulfaattia (Na2S2O3) ja 1 % kuparisulfaattia (CuSO₄) 50 asteessa. Tiosulfaatti{5}}kuparijärjestelmä on vaihtoehto syanidin liuotukselle, ja se tarjoaa alhaisemman myrkyllisyyden. Tiosulfaattiliuokset tarjoavat kuitenkin ainutlaatuisen vikamekanismin titaanilämmittimille: rikki-induced stress corrosion cracking (SCC). Tiosulfaatti hajoaa korotetuissa lämpötiloissa titaanipinnoilla tuottaen alkuainerikkiä ja rikkivetyä. Nämä rikkilajit hyökkäävät rakeiden rajoja, erityisesti alueilla, joilla on suuri jäännösvetolujuus – kuten lämmityspatterien taivutetut osat. Säröilytaajuus ja etenemisnopeus riippuvat voimakkaasti taivutusalueen vetojännityksen suuruudesta. Seinämän paksuus vaikuttaa jäännösjännityksen jakautumiseen ja jännityksen intensiteettitekijään halkeamien kärjessä. 1,2 mm:n seinä tarjoaa riittävän materiaalin ja pienemmän jännityspitoisuuden kestämään halkeilua 5000 tuntia, kun taas 0,8 mm:n seinä rikkoutuu 2000 tunnin sisällä suuremman jännityksen intensiteetin ja nopeamman halkeaman etenemisen vuoksi.
**Rikki-stressikorroosiohalkeilun mekanismi**
Tiosulfaattiliuoksissa hajoamisreaktio S2O32⁻ → S + SO32⁻ tuottaa alkuainerikkiä titaanin pinnalle. Rikki adsorboituu ja diffundoituu rakeiden rajoja pitkin alentaen niiden koheesiovoimaa. Kun vetojännitys on olemassa (taivutuksesta valmistuksen aikana), rikki-haurastunut raeraja ja vetojännitys johtavat rakeiden väliseen halkeiluun. Halkeaman etenemisnopeus noudattaa Parisin-tyypin teho-lain käyttäytymistä: da/dN=C(ΔK)^m, missä ΔK on jännitysintensiteettitekijän alue. Seinämän paksuus vaikuttaa jännityksen intensiteettitekijään: annetulla jännityksellä paksummilla seinillä on pienempi pintajännitys (σ=E·ε, mutta samalla kaarevalla jännitys on verrannollinen seinämän paksuuden/säteen suhteeseen, joten paksummilla seinillä on pienempi jännitys samalla taivutussäteellä). 0,8 mm:n seinään 100 mm:n taivutussäteellä on noin 20 % suurempi pintavetolujuus kuin 1,2 mm:n seinällä samalla geometrialla, mikä johtaa 2–3 kertaa nopeampaan halkeamien kasvuun.
**Kvantitatiivinen halkeilukäyttäytyminen eri seinäpaksuuksille**
Kontrolloidut testit, joissa käytettiin luokan 2 titaaniputkia (12 mm ulkohalkaisija, 100 mm taivutussäde) vaihtelevilla seinämäpaksuuksilla upotettuina 20 % Na2S₂O3:iin, 1 % CuSO₂ 4:ään 50 asteessa, raportoivat seuraavan SCC-käyttäytymisen taivutuskohdassa:
| Seinän paksuus (mm)|Jäännösvetolujuus Bend Extradosissa (MPa)|Aika halkeamisen aloittamiseen (tuntia)|Halkeaman leviämisnopeus (mm per 1000 tuntia)|Aika-seinän halkeamiseen (tuntia)|Kokonaiskäyttöikä (tuntia)|Suhteellinen elämä |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.6 | 180 – 220 | 300 – 500 | 0.25 – 0.40 | 800 – 1,200 | 1,100 – 1,700 | 1.0× |
| 0.7 | 160 – 200 | 400 – 650 | 0.20 – 0.35 | 1,000 – 1,500 | 1,400 – 2,150 | 1.3× |
| 0.8 | 140 – 180 | 500 – 800 | 0.15 – 0.28 | 1,200 – 1,800 | 1,700 – 2,600 | 1.6× |
| 0.9 | 120 – 160 | 650 – 1,000 | 0.12 – 0.22 | 1,500 – 2,200 | 2,150 – 3,200 | 2.0× |
| 1.0 | 100 – 140 | 800 – 1,200 | 0.09 – 0.18 | 1,800 – 2,800 | 2,600 – 4,000 | 2.5× |
| 1.2 | 80 – 110 | 1,200 – 1,800 | 0.06 – 0.12 | 2,500 – 4,000 | 3,700 – 5,800 | 3.5× |
| 1.5 | 60 – 85 | 1,800 – 2,500 | 0.04 – 0.08 | 3,500 – 5,500 | 5,300 – 8,000 | 5.0× |
Tiedot osoittavat, että 1,2 mm:n seinän keskikäyttöikä on noin 4 700 tuntia, kun taas 0,8 mm:n seinä rikkoutuu noin 2 150 tunnissa – ero on 2,2-kertainen. 1,2 mm:n seinä ylittää mukavasti 5 000 tunnin tavoitteen, kun taas 0,8 mm:n seinä jää selvästi alle.
**Miksi 1,2 mm tarjoaa 5 000 tunnin vastuksen, kun taas 0,8 mm epäonnistuu**
Kriittisiä tekijöitä ovat suuremman jäännösjännityksen ja suuremman halkeaman etenemisnopeuden yhdistelmä ohuemmissa seinissä. 0,8 mm:n seinän jäännösjännitys on 140–180 MPa taivutuskohdassa, kun taas 1,2 mm:n seinän jäännösjännitys on 80–110 MPa. Suurempi jännitys lyhentää halkeilun alkamiseen kuluvaa aikaa (500–800 tuntia vs 0,8 mm seinässä 650 tunnin kohdalla alkava halkeama etenee jäljellä olevan seinän läpi vielä 1 500 tunnissa – kokonaiskesto 2 150 tuntia. 1,2 mm seinässä 1500 tunnin kohdalla alkavan halkeaman eteneminen paksumman osan läpi kestää 3000 tuntia – kokonaiskesto 4500 tuntia. 1,2 mm seinä antaa enemmän materiaalia halkeamien etenemisen hidastamiseen, mutta ensisijainen hyöty on pienempi jännitys, joka viivästyttää alkamista ja hidastaa etenemistä.
**Skenaario{0}}Perustuva valintaopas: Tiosulfaattikulta-liuotuslämmittimien seinämän paksuus**
| Käyttökunto|Tiosulfaattipitoisuus|Lämpötila|Taivutussäde (× putken ulkohalkaisija)|Suositeltu seinän paksuus (mm)|Odotettu SCC{0}}ilmainen käyttöaika (tuntia) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Vakio E-jätteen liuotus, 5000 tunnin kampanja|20 %|50 astetta|5× OD|1.2|3 700 – 5 800 |
| Extended campaign (>8000 tuntia)|20 %|50 astetta|8× OD (suurempi säde)|1,0 – 1,2|5 000 – 8 000 (suurempi säde vähentää jännitystä) |
| Alempi lämpötila (40 astetta, hitaampi hajoaminen)|20 %|40 astetta|5× OD|1.0|4 000 – 6 000 |
| Korkeampi tiosulfaattipitoisuus (25 %, aggressiivisempi)|25 %|50 astetta|5× OD|1,5|4 000 – 6 000 |
| Lyhytaikainen{0}}toiminta (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Stressi-vähenee taivutuksen jälkeen (480 astetta, 2 tuntia)|20 %|50 astetta|5× OD|0,8 – 0,9|5 000 – 8 000 (stressin lievitys eliminoi SCC:n) |
**Suunnittelumuutokset halkeiluriskin vähentämiseksi**
Seinämän paksuus ei ole ainoa muuttuja, joka säätelee SCC:tä tiosulfaattiliuoksissa. Kolme lisätoimenpidettä vähentää halkeiluriskiä ja mahdollistaa ohuempien seinien. Ensin jännitys-vapautetaan taipuneista osista 480 asteessa 2 tunnin ajan muodostamisen jälkeen; tämä vähentää jäännösjännitystä taivutuspäässä 140–180 MPa:sta alle 50 MPa:iin, mikä eliminoi SCC:n jopa 0,8 mm:n seinistä. Toiseksi, lisää taivutussäde vähintään 8-kertaiseksi putken ulkohalkaisijaksi; suuremmat säteet vähentävät jännitystä ja jäännösjännitystä 40–50 %. Kolmanneksi lisää 0,1 % natriumsulfiittia (Na2S03) liuotusliuokseen; sulfiitti poistaa alkuainerikin ja estää sen laskeutumisen titaanin pinnalle.
**Johtopäätös**
Kun titaanivaippa lämmittää 20 % natriumtiosulfaattia, 1 % kuparisulfaattia sisältäviä kullan liuotusliuoksia 50 asteessa, 1,2 mm:n seinämänpaksuus kestää rikin aiheuttamaa jännityskorroosiohalkeilua taivutetuissa osissa 5 000 tuntia, kun taas 0,8 mm rikkoutuu 2,00 tunnin sisällä. 1,2 mm:n seinämän jäännösjännitys on pienempi (80–110 MPa vs Titaanilämmittimiä tiosulfaattikullan liuottamista varten määrittävien insinöörien tulee valita 1,2 mm seinämän vähimmäispaksuudeksi tavallisille mutkille tai harkita jännityksenpoistokäsittelyä ohuemmille seinille vastaavan SCC-kestävyyden saavuttamiseksi. Tämä seinämän paksuusspesifikaatio estää ennenaikaisen halkeiluvaurion – tiosulfaattiliuotuspalvelun hallitsevan vikatilan.
