Zakaj je plašč iz titana z nekoliko bolj hrapavo površino (3,2 μm Ra) v liniji za nanašanje trdih kromov (kromova kislina 250 g/l, 60 stopinj) boljši od zrcala-končnega v smislu odpornosti na oprijem na kromatne usedline?

Temeljni kompromis-pri površinski obdelavi titana za trdo kromiranje
Kopeli za trdo kromiranje vključujejo 250 g/L kromove kisline (CrO3) s sulfatnimi katalizatorji pri 60 stopinjah. Potopni grelniki iz titana so pogosti zaradi dobre korozijske odpornosti na oksidacijo kromove kisline. Vendar pa se kromatne usedline (bazični kromov kromat in kromove (III) spojine) obarjajo na površinah grelnikov in tvorijo izolacijske plasti, ki omejujejo prenos toplote in povzročajo lokalno pregrevanje. Na podlagi izkušenj na proizvodnih linijah za galvanizacijo je bilo ugotovljeno, da so titanovi plašči z nekoliko hrapavo površino (Ra ≈ 3,2 μm) boljši od zrcalnih-plašč (Ra < 0,2 μm) glede odpornosti na kopičenje-sprijetih kromatnih usedlin. Ta nepričakovani rezultat je posledica mehanike adhezije nanosa, kjer gladke površine ponavadi podpirajo močno kemično vez, zmerno hrapave površine pa ponavadi zagotavljajo šibek mehanski vmesnik, kjer se nanosi med kroženjem toplote odcepijo. Raziskava zajema mehanizem in predlaga površinsko obdelavo za storitve trdega kroma.

Vpliv mehanizmov oprijema nanosa na mehansko celovitost
Kromatne usedline nastanejo na titanovih površinah prek mehanizma obarjanja: Cr(VI) v raztopini se reducira v Cr(III) na vroči površini ovoja, da nastane želatinast kromov hidroksid, ki dehidrira v oprijeti oksid. Na površini titana z zrcalnim zaključkom (Ra manj kot ali enako 0,2 μm) je vmesnik med nanosom in titanom skoraj odličen. Van der Waalsove sile in kemična povezava med njimi dajejo visoko adhezijsko moč. Plast se vztrajno upira odstranitvi s temperaturnimi cikli, pretokom tekočine ali nežnim ščetkanjem. Obloga se zgosti in izolira ovoj, poveča površinsko temperaturo ovoja in spodbudi dodatno odlaganje. Na nekoliko hrapavi površini (Ra=2.5-4.0 μm) se usedlina mehansko poveže z nepravilnostmi, vendar ne tvori tako močne kemične povezave, ker so vrhovi hrapavosti prednostno oksidirani. Še pomembneje je, da razlika v toplotnem raztezanju usedline kromata (koeficient=5-6 x 10 -6 / stopinja) in titana (8,6 x 10 -6 / stopinja) povzroča strižne sile na vmesniku. Na hrapavi površini se ti pritiski koncentrirajo na dnu vdolbin hrapavosti, kar vodi do odcepitve usedline v majhnih kosmičih, namesto da nastane debela neprekinjena plast. Terenski podatki iz linij trdega kromiranja kažejo, da so površine grelnikov čiste z le 0,1–0,2 mm usedline po 1000 urah z Ra 3,2 μm, medtem ko so zrcalno-grelniki prekriti z 0,8–1,2 mm trdovratne usedline v istem času.

Vpliv na toplotno učinkovitost: Samo{0}}čistilni učinek
Rahlo hrapava površina omogoča-samočistilni toplotni cikel. Titanov plašč se razširi in skrči med tipičnim ciklom vklop-izklopa grelnika (npr. nadzor temperature kopeli). Hrapava površina je zaporedje dviga napetosti na stiku z nanosom-titana. Študija končnih elementov razkriva, da je medfazna strižna napetost na vrhovih površine Ra=3.2 μm približno 3-krat višja od tiste na površini Ra=0.2 μm za enak ΔT. Ta napetost je višja od adhezijske trdnosti kromatnega nanosa in povzroča mikro-razpadanje. Odpadli delci padejo v kopel in se odfiltrirajo. Rahlo hrapava površina povzroči zanemarljivo toplotno obremenitev; dejanska površina je le 5–10 % večja od tiste pri polirani površini, na konvektivno mejno plast (običajno debeline 50–100 μm) pa ne vpliva hrapavost pod Ra=10 μm. Koeficienti prenosa toplote so skoraj enaki.

Kompromis-sinteze: površinska obdelava v primerjavi z nastankom-nanosa
Površinska obdelava Ra (µm) Adhezijska trdnost nanosa Debelina nanosa po 1000 urah (mm) Trdi krom – zahtevana pogostnost čiščenja Priporočeno?
Elektropolirano (zrcalno polirano) 0,1 – 0,2 Zelo visoko (kemična vez) 0,8 – 1,2 mm Tedensko (potopitev v kislino) Ne – trdovratne usedline
Mehansko polirano (zrnatost 600) 0,3 – 0,5 Visoko 0,5 – 0,8 mm Vsaka dva tedna Rob
Kot -vlečeno (rezkanje) 1,2 – 1,8 Zmerno 0,3 – 0,5 mm Mesečno sprejemljivo
Peskana fina steklena kroglica 2,5 – 3,5 Nizka (zlahka se lušči) 0,1 – 0,2 mm Četrtletno ali dlje Da – optimalno
Peskano (groba glinica) 5,0 – 7,0 Zelo nizko < 0,1 mm Redko Sprejemljivo, vendar lahko ujame onesnaževala
Medij za peskanje in inženiring naknadne obdelave Beyond the Finish
Pri težkem kromiranju s finim peskanjem s steklenimi kroglicami (50–100 μm kroglice pri tlaku 2–3 bare) dobimo optimalni Ra 2,5–3,5 μm brez vdelanih nečistoč. Peskanje z aluminijevim oksidom ni priporočljivo, ker lahko vdelani delci aluminijevega oksida služijo kot galvanska mesta. Pasivacija z dušikovo kislino (20 % HNO3 pri 50 stopinjah 20 minut) odstrani morebitno vdelano železo ali krom iz materiala za peskanje in obnovi pasivni film po peskanju. Po peskanju ne brišite ali polirajte peskane površine, saj to obarva površino in zmanjša samočistilno delovanje.

Zaključek: hrapava površina (Ra ~ 3,2 μm). Zagotavlja prednost samo-čiščenja
V liniji za trdo kromiranje, ki uporablja 250 g/l kromove kisline pri 60 stopinjah, je plašč iz titana z nekoliko bolj hrapavo površino (Ra ≈ 3,2 μm, pridobljeno s finim peskanjem s steklenimi kroglicami) boljši od zrcalno-završenega ovoja, saj hrapava površina olajša lomljenje kromatnih usedlin pri toplotnem cikliranju. Šibek mehanski vmesnik v kombinaciji s koncentriranimi toplotnimi strižnimi napetostmi povzroči, da se usedline luščijo, preden zrastejo do izolacijske debeline. Zrcalna-podobna površina prispeva k močni kemični povezavi, zaradi katere se usedline hitro nabirajo, pregrevajo in zahtevajo redno čiščenje. Predlagana specifikacija za grelnike s trdim kromom je titanov plašč s peskano površinsko poliranjem Ra=2.5–3,5 μm in naknadno pasivacijo z dušikovo kislino. Proizvajalcu navedite, koliko toplotnih ciklov (vklop-izklop ciklov na dan) pričakujete, in preverite, ali bo samočistilni-sistem deloval. Debelina stene (običajno 1,2-1,5 mm) se izbere individualno glede na zahteve glede tlaka in rokovanja. Debelina ne vpliva na oprijem nanosa.