Compartiment-per un acabat superficial de titani al servei de clorur fèrric
Les solucions de gravat de clorur fèrric (FeCl 3 ) són altament oxidants i agressivament corrosives per a la majoria dels metalls. El clorur fèrric típic és de 42 graus Bé (aproximadament un 40% de FeCl 3 ). El titani es va seleccionar a causa de la capa passiva de TiO₂, que el fa resistent al FeCl₃. Tanmateix, la picada és la ruptura local del recobriment passiu, comunament a defectes superficials, inclusions o escletxes de microescala. L'acabat superficial, mesurat per la rugositat mitjana Ra, té una influència directa en la quantitat i la mida dels possibles llocs d'iniciació de picades. Una superfície més llisa (Ra baixa) elimina les fissures microscòpiques i disminueix el nombre de llocs per a la concentració d'ions clorur. Una superfície molt llisa (Ra < 0,2 µm) requereix un polit electrològic o un polit mecànic i afegeix cost. L'estudi actual va determinar la correlació entre el valor de Ra i el temps d'inducció de pitting a 42 graus Bé FeCl3 a 50 graus i va establir l'acabat superficial que proporcionava la durada màxima abans de l'inici de la fossa.

Impactes d'integritat mecànica: iniciació de la perforació i rugositat superficial
La picada en solució de clorur fèrric sobre titani comença en llocs on la pel·lícula passiva és més fina o on les fissures permeten l'acumulació de clorur. En una superfície rugosa (Ra > 1,0 µm), les valls són com microfissures. Aquests abeuradors solen tenir entre 5 i 20 µm d'amplada i la profunditat és del mateix ordre que el valor Ra. En aquestes valls s'acumulen ions de clorur a causa de les limitacions de difusió i el pH local disminueix a causa de la hidròlisi dels clorurs metàl·lics que inicia la picada. En una superfície llisa (Ra < 0,4 µm) les valls són poc profundes (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Rendiment tèrmic: efecte de l'acabat superficial i transferència de calor
L'acabat superficial també té un efecte sobre el transport de calor, però és secundari a la resistència a la picada. L'àrea superficial real d'una superfície més rugosa és més gran (de 2 a 5 vegades l'àrea projectada per a Ra=1.5 µm, en general), cosa que, en teoria, millora la transferència de calor augmentant l'àrea de contacte amb la solució de clorur fèrric. De fet, però, el gruix de la capa límit convectiva (generalment 50-200 µm) és significativament més gran que les característiques de rugositat i, per tant, el coeficient de transferència de calor és gairebé independent de Ra per a valors inferiors a 5 µm. L'electropolit (Ra=0.1µm) redueix la superfície real en un ~5% en comparació amb una superfície polida mecànicament, donant lloc a un mínim (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Síntesi de la compensació-: valor de Ra vs temps d'inducció de pitting
Acabat superficial Valor Ra (µm) Mètode E_pit (V vs. Ag/AgCl) Temps d'inducció a la primera fossa (hores, 42 graus Bé FeCl3, 50 graus) Factor de cost relatiu
Tal com-estirat (acabat de molí) 1,2 – 1,8 Cap +0.65 V 20 – 40 hores 1,0× Decapat (descalcificat àcid) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF dip +0.70 V 50 – 100,1 × 2 h polit mecànicament (grana) 0,4 – 0,6 Polit de corretges o rodes +0.80 V 300 – 500 hores 1,5×
Polit mecànic (grans 600) 0,2 – 0,3 Polit abrasiu fi+0.88 V 2,0× 1,000 - 2,000 hores
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5.000 h. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 mesos de funcionament continu) mentre que les superfícies-dibuixades fossin en 1-2 dies. La millora creix exponencialment a mesura que disminueix Ra.

Enginyeria després de l'acabat: passivació i tractament post{0}}polit
Per obtenir la millor resistència a la picada, una superfície electropolitada ha d'anar seguida d'un pas de passivació d'àcid nítric (20% HNO 3 a 50 graus durant 30 minuts). Aquest tractament condueix a una capa de TiO2 homogènia i lliure de defectes-que és més gruixuda i més estable que la pel·lícula passiva natural. El titani electropolit passivat en servei en clorur fèrric no mostra picat després de 10.000 hores de proves de laboratori. Si l'electropolit és massa car per a l'aplicació, aleshores el polit mecànic de gra 600 (Ra ≈ 0,25 µm) i la passivació donaran un temps d'inducció d'1.000 a 2.000 hores, que és adequat per a molts procediments de gravat per lots on l'escalfador s'elimina i es neteja entre lots. El truc és evitar els contaminants superficials (partícules de ferro, greix o abrasius incrustats) que poden servir com a llocs d'iniciació de picades.

Conclusió: electropolit (Ra inferior o igual a 0,15 μm) ofereix el temps d'inducció més llarg
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 mesos. Les superfícies polides mecànicament (Ra=0.2–0,6 µm) donen lloc a temps d'inducció intermedis de 300 a 2.000 hores, adequats per a aplicacions menys exigents. L'electropolit no té una penalització tèrmica important. Especifiqueu escalfadors per gravat amb clorur fèrric amb acabat superficial electropolit verificat Ra Menys o igual a 0,15 μm i passivació en àcid nítric al 20% després del poliment. Però l'augment del cost d'acabat es compensa amb l'evitació de problemes relacionats amb les picades-i amb una vida útil més llarga. Trieu l'acabat superficial adequat en funció del temps de funcionament continu previst entre els intervals de manteniment. Per a qualsevol aplicació de més de 1.000 hores, es recomana l'electropolit.