Ekstremali aplinka
Mišrus rūgštinis ėsdinimas puslaidininkių, kosmoso ir metalo apdailai naudoja azoto rūgšties ir vandenilio fluorido rūgšties derinius 60–90 laipsnių temperatūroje. Ši aplinka atakuoja beveik visus metalus. Azoto rūgštis suteikia stiprią oksidacinę galią. Vandenilio fluorido rūgštis suteikia fluorido jonų, kurie sudaro stabilius, tirpius kompleksus su dauguma metalo katijonų, sunaikindami bet kokią pasyvią plėvelę, kuri kitu atveju galėtų apsaugoti paviršių.
Tantalas yra vienas iš nedaugelio metalų, turinčių naudingą atsparumą šiai aplinkai. Tantalo -volframo lydinys (Ta-2,5 W arba Ta-10 W) pagerina jau ir taip puikų gryno tantalo atsparumą korozijai, nes sustiprina kieto tirpalo poveikį, kuris taip pat padidina atsparumą fluoro poveikiui. Šie lydiniai yra metalo atsparumo korozijai viršūnė mišrioje rūgštyje.
PTFE yra atsparus abiem rūgštims. Palyginama geriausia metalinė medžiaga-, kurios išmatuojamas ribotas atsparumas korozijai- ir polimeras, kuris šioje aplinkoje negali rūdyti.
Tantalo{0}}volframo korozijos mechanizmas HF
Tantalas geriau atsparus HF nei bet kuris kitas komercinis metalas, išskyrus iridį ir platiną. Jo Ta₂O5 pasyvioji plėvelė yra vienas iš chemiškai atspariausių žinomų oksidų. Volframo priedas sustiprina lydinį ir šiek tiek pagerina atsparumą fluoro poveikiui, pakeisdamas pasyvios plėvelės elektroninę struktūrą.
Tačiau tantalo -volframo lydinys nėra apsaugotas nuo HF. 80 laipsnių temperatūroje HNO₃-HF mišiniuose pasyvioji plėvelė ištirpsta 0,005-0,02 mm per metus greičiu. Tirpimas paprastai yra vienodas, tačiau gali atsirasti paviršiaus defektų, grūdelių ribų arba mechaninių pažeidimų vietose. Įbrėžimas, prasiskverbęs į pasyvią plėvelę, tampa pagreitinto atakos vieta, kol plėvelė vėl susiformuoja.
Vienodą tirpimo greitį galima valdyti naudojant korozijos pašalpą. Rizika yra vietinis gedimas. Jei maža įrankio geležies dalelė gamybos ar priežiūros metu patenka į tantalo paviršių, ji sudaro aktyvų galvaninį elementą. Tantalas aplink geležies dalelę pirmiausia korozuoja. Duobė prasideda ir plinta kartu veikiant rūgšties mišiniui ir galvaninei varomajai jėgai.
1 lentelė. Atsparumo mišrioms rūgštims korozijai palyginimas (20 % HNO₃ + 5 % HF, 80 laipsnių)
| Korozijos parametras | Tantalas -volframas (Ta-2,5 W) | PTFE |
|---|---|---|
| Apsaugos nuo korozijos mechanizmas | Ta₂O5 pasyvioji plėvelė | Būdingas C-F jungties stabilumas |
| Vienodas korozijos greitis (mm/metai) | 0.005-0.02 | 0 |
| Lokalizuota korozijos rizika | Žemas, bet ne nulis (jautrumas Fe užterštumui) | Nėra |
| Padidėjęs jautrumas HF koncentracijai | Vidutinis (norma proporcinga [HF]) | Nėra |
| Jautrumas temperatūros padidėjimui | Aukštas (kaitis padvigubėja už 10-15 laipsnių) | Nėra (žemiau 260 laipsnių) |
| Medžiagų kaina (santykinė) | 30-50× | 1× |
| Gamybos sudėtingumas | Itin aukštas (specializuotas suvirinimas; švarios patalpos sąlygos) | Vidutinis |
| Šilumos laidumas (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Reikalingas santykinis paviršiaus plotas | 1,0 × (pradinė) | 3-4× |
| Eksploatacijos trukmės nuspėjamumas | Vidutinė (stochastinės duobės rizika) | Aukštas (šliaužimu{0}}pagrįstas skaičiavimas) |
| Nesėkmės pasekmė | Staigus skylės nutekėjimas; proceso užterštumas | Palaipsniui; aptinkamas matuojant storį |
Gamybos ir sąnaudų realybė
Tantalo -volframo lydinys yra viena iš brangiausių inžinerinių medžiagų, naudojamų cheminėje įrangoje. Žaliavos kaina yra 30-50 kartų didesnė nei PTFE už kilogramą. Gamybai reikalingas specialus suvirinimas didelio-grynumo inertinėje atmosferoje, dažnai švarios patalpos sąlygomis, kad būtų išvengta paviršiaus užteršimo, galinčio sukelti koroziją. Suvirintojai turi būti sertifikuoti specialiai ugniai atsparių metalų suvirinimui. Kiekvienos suvirinimo siūlės neardomasis patikrinimas yra privalomas.
Pagaminto šilumokaičio kaina yra 10-20 kartų didesnė už PTFE ekvivalentą tai pačiai šilumos funkcijai. Už šią kainą galima įsigyti šilumokaitį, kuris yra kompaktiškas-dėl tantalo šilumos laidumo 54 W/m·K, tačiau vis tiek lėtai rūdija ir kyla vietinio atakos rizika.
Tam pačiam tikslui skirti PTFE šilumokaičiai yra didesni-3–4 kartus didesni už paviršiaus plotą, tačiau kainuoja šiek tiek mažiau ir neturi korozijos rizikos. Kai įrengimo erdvė gali apimti didesnį plotą, ekonomiškas pasirinkimas yra nedviprasmiškas.
Proceso užteršimo rizika
Dėl tantalo korozijos į ėsdinimo tirpalą išsiskiria tantalo jonai. Naudojant puslaidininkius ir labai{1}}tikslius metalo apdailą, metalo jonų užterštumas, kurio lygis yra -per-milijardas, gali turėti įtakos proceso kokybei. 0,01 mm per metus tantalo tirpimo greitis reiškia nuolatinį, žemo lygio tantalo taršos šaltinį.
PTFE neišskiria metalo jonų. Jame nėra metalų. Per visą įrangos eksploatavimo laiką ėsdinimo tirpale nėra šilumokaičio-sukelto metalo užteršimo. Užteršimui{5}}jautriuose procesuose tai yra lemiamas pranašumas, neatsižvelgiant į kainą.
Santrauka
PTFE šilumokaičiai yra atsparūs mišriems HNO₃-HF rūgšties ėsdinimo tirpalams 80 laipsnių temperatūroje, o tantalo -volframo lydinys lėtai rūdija dėl pasyvaus plėvelės tirpimo ir kyla vietinio galvaninio smūgio pavojus. Tantalo -volframo medžiagų kaina yra 30–50 kartų didesnė nei PTFE; pagamintos įrangos kaina yra 10-20 kartų didesnė.
PTFE reikia 3-4 kartus didesnio paviršiaus ploto lygiaverčiam šilumos kiekiui. Jei yra vietos montavimui, PTFE užtikrina mažesnę kainą, nulinę korozijos riziką ir apsaugo nuo metalo jonų užteršimo. Tantalo volframas skirtas naudoti, kai erdvės apribojimai arba mechaniniai reikalavimai neleidžia naudoti didesnio PTFE ploto.
Inžinerinė analizė, skirta mišrios rūgšties ėsdinimo šilumokaičio medžiagai pasirinkti, galima pateikus rūgšties koncentraciją, darbinę temperatūrą, šilumos galią, laisvą įrengimo erdvę ir metalo užteršimo jautrumą.
