Els banys de gravat químic per a titani i acer inoxidable contenen normalment una barreja d'àcid fluorhídric (HF) i àcid nítric (HNO₃). L'HF proporciona la dissolució agressiva dels metalls bàsics, mentre que l'HNO₃ actua com a agent oxidant per controlar les velocitats de reacció i millorar l'acabat superficial. Una formulació comuna és 10% HF + 20% HNO₃ en aigua, que funciona a 25-40 graus. El titani de grau 2, malgrat la seva excel·lent resistència a la corrosió en molts entorns, es dissol ràpidament en solucions de coixinets d'HF-. L'ió fluorur es complexa amb ions de titani i evita la formació de pel·lícules passives. En un bany de gravat típic, el titani de grau 2 perd 0,5-1,0 mm de gruix de paret per hora, donant lloc a la perforació completa d'un tub estàndard d'1,2 mm en 2-3 hores. Per sobreviure més enllà de 48 hores d'exposició acumulada, s'ha de seleccionar un material diferent-un aliatge de titani especialitzat o un metall alternatiu-.

Mecanisme d'atac ràpid de titani de grau 2 en mescles HF/HNO₃

En solucions que contenen HF-, la pel·lícula passiva de TiO₂ es dissol a l'instant: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Sense pel·lícula protectora, el metall de titani subjacent es corroeix activament. L'àcid nítric de la mescla no repassa el titani perquè els ions fluorurs eliminen contínuament qualsevol òxid que es formi. La reacció de corrosió és uniforme i ràpida: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. La reacció d'evolució d'hidrogen també és accelerada per HF. El resultat és una taxa de pèrdua de material lineal sense període d'incubació. El titani de grau 2, grau 7 i grau 12 contenen titani com a metall base, de manera que tots pateixen taxes d'atac similars a les mescles HF/HNO₃.

Rendiment de graus alternatius de titani en HF/HNO₃

Les proves d'immersió controlada en 10% HF + 20% HNO₃ a 30 graus han establert les següents taxes de corrosió:

Grau 2 (comercialment pur): Índex de corrosió de 0,8 mm per hora. 1.2 mm tub perforat en 1,5 hores. No apte més enllà dels-escalfadors d'un sol ús.

Grau 7 (Ti-0,15Pd): Velocitat de corrosió de 0,7 mm per hora. El pal·ladi no ofereix cap benefici perquè la catàlisi de metalls nobles requereix una pel·lícula passiva intacta, que està absent. Similar al grau 2.

Grau 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Índex de corrosió de 0,6 mm per hora. Les addicions de molibdè i níquel ofereixen una millora marginal però insuficient per a la supervivència de 48 hores.

Grau 5 (Ti-6Al-4V): Velocitat de corrosió de 0,5 mm per hora. La microestructura alfa-beta es dissol preferentment als límits de la fase beta, donant lloc a un atac intergranular. No recomanat.

Selecció de metall alternativa per al servei HF/HNO₃

La taula següent proporciona una comparació de metalls alternatius que poden sobreviure 48 hores o més en banys de gravat amb HF/HNO₃:

Guia pràctica de selecció per al requisit de supervivència de 48 hores

Per a un escalfador que ha de sobreviure a 48 hores acumulades d'immersió en un bany de gravat HF/HNO₃, el material ha de tenir una velocitat de corrosió inferior a aproximadament 0,03 mm per hora (0,03 mm/h × 48 h de penetració=1.44 mm). Només el tàntal, el zirconi i el PTFE compleixen aquest requisit:

Tàntal: Millor resistència general a la corrosió. Forma una pel·lícula estable de Ta₂O₅ que resisteix l'HF fins a concentracions del 60% per sota dels 50 graus. Temperatura màxima de funcionament de 150 graus. Alt cost però ofereix dècades de servei. Soldable i fabricable.

Zirconi: Excel·lent alternativa amb menor cost. Resisteix a l'HF formant una pel·lícula de ZrO₂ que és més estable que TiO₂ en medis de fluorur. Concentració màxima d'HF del 50% a 30 graus. Susceptible a picar si la concentració d'àcid nítric baixa per sota del 10%.

PTFE (politetrafluoroetilè): Químicament inert a les mescles HF/HNO₃. S'utilitza com a revestiment sobre un substrat metàl·lic (generalment acer al carboni o titani per a suport estructural). Temperatura màxima de funcionament de 200 graus. La conductivitat tèrmica és molt baixa (0,25 W/m·K vs . 21 W/m·K per al titani), de manera que els escalfadors requereixen una superfície molt més gran.

Elaboració d'una especificació informada

Quan especifiqueu un escalfador per a un bany de gravat HF/HNO₃ que requereixi una supervivència més enllà de les 48 hores, no seleccioneu cap grau de titani. Els graus 2, 7 i 12 fracassen en poques hores. Per a aplicacions on el cost és secundari i la fiabilitat és primordial, especifiqueu un escalfador d'immersió sòlid de tàntal. Per a aplicacions més sensibles a costos-, especifiqueu un escalfador de zirconi amb un gruix de paret de 2,0 mm com a mínim. Per a l'opció de menor cost que encara aconsegueix una supervivència de 48-hores, especifiqueu un escalfador de titani amb camisa de PTFE on el PTFE proporcioni resistència química (0,5-1,0 mm de gruix) i el titani proporcioni suport estructural. Sol·licitar al proveïdor certificats d'assaig de corrosió en la relació HF/HNO₃ i la temperatura específiques del bany previst. Durant el funcionament, controleu la concentració d'HF diàriament; un augment per sobre del 15% d'HF augmenta les taxes de corrosió del zirconi en un factor de 10. En seleccionar un metall alternatiu en lloc d'intentar modificar els graus de titani, l'enginyer garanteix un rendiment fiable de l'escalfador en un dels pocs entorns on el titani és fonamentalment inadequat.