В линия за покритие за твърд хром (хромна киселина 250 g/L, 60 градуса), защо титаниевата обвивка с малко по-груба повърхност (3,2 μm Ra) превъзхожда огледалото-финиш по отношение на устойчивост на адхезия към хроматни отлагания?

Фундаментален компромис-от титаниево повърхностно покритие за твърдо хромирано покритие
Ваните за твърдо хромиране включват 250 g/L хромна киселина (CrO3) със сулфатни катализатори при 60 градуса. Титаниевите потопяеми нагреватели са често срещани поради добрата си устойчивост на корозия към оксидираща хромна киселина. Въпреки това, хроматните отлагания (основен хромен хромат и съединения на хром (III)) се утаяват върху повърхностите на нагревателя и образуват изолационни слоеве, които ограничават преноса на топлина и предизвикват локално прегряване. От опита на производствените линии за нанасяне на покритие е установено, че титаниеви обвивки с донякъде грапава повърхност (Ra ≈ 3,2 μm) са по-добри от огледалните-завършени обвивки (Ra < 0,2 μm) по устойчивост на натрупване-на полепнали хроматни отлагания. Този неочакван резултат е следствие от механиката на адхезията на отлаганията, където гладките повърхности са склонни да поддържат силна химическа връзка, а умерено грапавите повърхности са склонни да осигурят слаб механичен интерфейс, където отлаганията се разпадат по време на топлинен цикъл. Изследването обхваща механизма и предлага покритие на повърхността за твърдо хромиране.

Ефект на адхезионните механизми върху механичната цялост
Хроматните отлагания се образуват върху титанови повърхности чрез механизъм на утаяване: Cr(VI) в разтвора се редуцира до Cr(III) на горещата повърхност на обвивката, за да се създаде желатинообразен хромен хидроксид, който се дехидратира до прилепнал оксид. На титанова повърхност с огледално покритие (Ra по-малко или равно на 0,2 μm) интерфейсът между отлаганието и титана е почти отличен. Силите на Ван дер Ваалс и химическата връзка между тях дават висока якост на сцепление. Слоят упорито се съпротивлява на премахване чрез температурни цикли, поток на течност или нежно четкане. Отлаганията се сгъстяват и изолират обвивката, повишавайки повърхностната температура на обвивката и насърчавайки допълнително отлагане. Върху донякъде грапава повърхност (Ra=2.5-4.0 μm) налепът се свързва механично с неравностите, но не образува толкова силна химическа връзка, тъй като върховете на грапавостта са за предпочитане окислени. По-важното е, че разликата в топлинното разширение на хроматното отлагане (коефициент=5-6 x 10 -6 / градус) и титана (8,6 x 10 -6 / градус) създава сили на срязване на границата. Върху грапава повърхност тези налягания се концентрират в основата на вдлъбнатините на грапавостта, което води до разцепване на отлаганията на малки люспи вместо образуването на дебел непрекъснат слой. Полевите данни от линиите на твърдо хромиране показват, че повърхностите на нагревателите се поддържат чисти само с 0,1–0,2 mm отлагания след 1000 часа с Ra 3,2 μm, докато огледалните-нагреватели са покрити с 0,8–1,2 mm упорити отлагания за същото време.

Ефект върху топлинната ефективност: само{0}}почистващ ефект
Леко грапавата повърхност осигурява само{0}}термичен цикъл на почистване. Титановата обвивка се разширява и свива по време на типичните цикли на включване-изключване на нагревателя (напр. контрол на температурата във ваната). Грапавата повърхност е последователност от щрангове на напрежението при контакта с-титан. Изследването на крайните елементи разкрива, че междинното напрежение на срязване при върховете на повърхност Ra=3.2 μm е приблизително 3 пъти по-високо от това на повърхност Ra=0.2 μm за същото ΔT. Това напрежение е по-високо от силата на адхезия на хроматното отлагане и предизвиква микро-разпръскване. Натрошените частици попадат във ваната и се филтрират. Леко грапавата повърхност налага незначително топлинно наказание; действителната повърхностна площ е само 5–10% повече от тази на полирана повърхност, а конвективният граничен слой (обикновено с дебелина 50–100 μm) не се влияе от грапавост под Ra=10 μm. Коефициентите на топлопреминаване са почти еднакви.

Компромис-синтез: покритие на повърхността срещу натрупване-на депозит
Повърхностно покритие Ra (µm) Сила на адхезия на депозита Дебелина на депозита след 1000 часа (mm) Твърд хром – Необходима честота на почистване Препоръчва се?
Електрополиран (огледално полиран) 0,1 – 0,2 Много висок (химическо свързване) 0,8 – 1,2 mm Седмично (потапяне в киселина) Не – упорити отлагания
Механично полиран (600 грит) 0,3 – 0,5 Висок 0,5 – 0,8 mm На всеки две седмици Ръб
Както-изтеглен (завършек на фрезоване) 1,2 – 1,8 Умерено 0,3 – 0,5 mm месечно приемливо
Бластирани фини стъклени перли 2,5 – 3,5 Ниско (лесно се разпилява) 0,1 – 0,2 mm На тримесечие или по-дълго Да – оптимално
Струмен (груб двуалуминиев оксид) 5,0 – 7,0 Много нисък < 0,1 mm Рядко Приемливо, но може да улови замърсители
Бластираща среда и инженерство за последваща обработка отвъд финала
За тежко хромиране, бластирането с фини стъклени перли (50–100 μm перли при 2–3 бара налягане) дава оптимален Ra от 2,5–3,5 μm без вградени примеси. Не се препоръчва бластиране с алуминиев оксид, тъй като вградените частици алуминиев оксид могат да служат като галванични места. Пасивирането с азотна киселина (20% HNO3 при 50 градуса за 20 минути) елиминира всяко вложено желязо или хром от материала за бластиране и възстановява пасивния филм след бластирането. Не избърсвайте и не полирайте бластираната повърхност след бластирането, тъй като това оцветява повърхността и намалява самопочистващото действие.

Заключение: Грапава повърхност (Ra ~ 3,2 μm). Осигурява предимство при само{2}}почистване
В линия за твърдо хромиране, използваща 250 g/L хромова киселина при 60 градуса, титаниевата обвивка с малко по-грапава повърхност (Ra ≈ 3,2 μm, получена чрез бластиране на фини стъклени перли) е за предпочитане пред огледално-завършена обвивка, тъй като грапавата повърхност улеснява разцепването на хроматни отлагания при термичен цикъл. Слабият механичен интерфейс, съчетан с концентрираните термични напрежения на срязване, причиняват отлепване на отлаганията, преди да нараснат до изолационна дебелина. Огледалната -повърхност допринася за силна химическа връзка, която причинява бързо натрупване на отлагания, прегряване и необходимост от редовно почистване. Предложената спецификация за нагреватели с твърдо хромиране е титаниева обвивка с бластирана повърхност за полиране Ra=2.5–3,5 μm и последващо пасивиране с азотна киселина. Посочете на производителя колко термични цикъла (включени-изключени цикли на ден) очаквате и се уверете, че само-системата за самопочистване ще работи. Дебелината на стената (обикновено 1,2-1,5 mm) се избира индивидуално според изискванията за налягане и манипулация. Дебелината не оказва влияние върху адхезията на депозита.