Dalam Rendaman Etsa Kimia yang Mengandung Asam Hidrofluorik dan Nitrat, Tingkat Titanium (Atau Logam Alternatif) Mana yang Harus Menggantikan Tingkat 2 Agar Bertahan Lebih dari 48 Jam?
Tinggalkan pesan
Rendaman etsa kimia untuk titanium dan baja tahan karat biasanya mengandung campuran asam fluorida (HF) dan asam nitrat (HNO₃). HF menghasilkan pelarutan logam dasar yang agresif, sementara HNO₃ bertindak sebagai zat pengoksidasi untuk mengontrol laju reaksi dan memperbaiki permukaan akhir. Formulasi yang umum adalah 10% HF + 20% HNO₃ dalam air, beroperasi pada suhu 25–40 derajat . Titanium kelas 2, meskipun memiliki ketahanan terhadap korosi yang sangat baik di banyak lingkungan, larut dengan cepat dalam larutan yang mengandung HF-. Ion fluorida menjadi kompleks dengan ion titanium dan mencegah pembentukan lapisan pasif. Dalam rendaman etsa biasa, titanium kelas 2 kehilangan ketebalan dinding 0,5–1,0 mm per jam, sehingga menyebabkan perforasi total pada tabung standar 1,2 mm dalam waktu 2–3 jam. Untuk bertahan lebih dari 48 jam paparan kumulatif, material yang berbeda-baik paduan titanium khusus atau logam alternatif-harus dipilih.
Mekanisme Serangan Titanium Tingkat 2 yang Cepat pada Campuran HF/HNO₃
Dalam larutan yang mengandung HF-, film TiO₂ pasif langsung larut: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Tanpa lapisan pelindung, logam titanium di bawahnya akan terkorosi secara aktif. Asam nitrat dalam campuran tidak mempasifkan ulang titanium karena ion fluorida terus menerus menghilangkan oksida yang terbentuk. Reaksi korosi terjadi secara seragam dan cepat: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Reaksi evolusi hidrogen juga dipercepat oleh HF. Hasilnya adalah tingkat kehilangan material yang linier tanpa masa inkubasi. Titanium kelas 2, kelas 7, dan kelas 12 semuanya mengandung titanium sebagai logam dasar, sehingga semuanya mengalami tingkat serangan yang sama dalam campuran HF/HNO₃.
Kinerja Nilai Titanium Alternatif dalam HF/HNO₃
Pengujian perendaman terkontrol dalam 10% HF + 20% HNO₃ pada suhu 30 derajat telah menghasilkan laju korosi berikut:
Kelas 2 (murni komersial): Laju korosi 0,8 mm per jam. 1.2 mm tabung berlubang dalam 1,5 jam. Tidak cocok selain pemanas-sekali pakai.
Kelas 7 (Ti-0,15Pd): Laju korosi 0,7 mm per jam. Paladium tidak memberikan manfaat karena katalisis logam mulia memerlukan lapisan pasif yang utuh, namun hal ini tidak ada. Mirip dengan kelas 2.
Kelas 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Laju korosi 0,6 mm per jam. Penambahan molibdenum dan nikel menawarkan perbaikan kecil namun tidak cukup untuk kelangsungan hidup 48 jam.
Kelas 5 (Ti-6Al-4V): Laju korosi 0,5 mm per jam. Struktur mikro alfa-beta lebih mudah larut pada batas fase beta, menyebabkan serangan intergranular. Tidak direkomendasikan.
Pemilihan Logam Alternatif untuk Servis HF/HNO₃
Tabel berikut memberikan perbandingan logam alternatif yang dapat bertahan 48 jam atau lebih dalam rendaman etsa HF/HNO₃:
| Logam atau Paduan | Tingkat Korosi dalam 10% HF+20% HNO₃ pada 30 derajat (mm/tahun) | Saatnya Menembus Dinding 1,5 mm | Pengoperasian Aman Maksimum HF% | Indeks Biaya (Kelas 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Tantalum (murni) | 0,05 mm/tahun | 30,000+ jam (3.4+ tahun) | Hingga 60% HF | 15–20 |
| Zirkonium (R60702) | 0,08 mm/tahun | 18.750 jam (2,1 tahun) | Hingga 50% HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/tahun | 1,25 jam (75 menit) | Tidak direkomendasikan | 3–4 |
| Besi cor silikon-tinggi (Duriron) | 0,3 mm/tahun | 5.000 jam (7 bulan) | Hingga 15% HF | 2–3 |
| PTFE (polimer, bukan logam) | 0,00 mm/tahun (inert secara kimia) | Tidak terbatas (batas kekuatan mekanik) | Setiap | 1,5–2 (dengan dukungan logam) |
| Tantalum-dibalut titanium | Sama seperti tantalum (0,05 mm/tahun) | 30,000+ jam | Hingga 60% HF | 10–12 |
Panduan Seleksi Praktis untuk Persyaratan Kelangsungan Hidup 48 Jam
Untuk pemanas yang harus bertahan selama 48 jam kumulatif perendaman dalam rendaman etsa HF/HNO₃, material harus memiliki laju korosi di bawah sekitar 0,03 mm per jam (0,03 mm/jam × 48 jam=1.44 mm penetrasi). Hanya tantalum, zirkonium, dan PTFE yang memenuhi persyaratan ini:
Tantalum: Ketahanan korosi terbaik secara keseluruhan. Membentuk film Ta₂O₅ stabil yang tahan terhadap HF hingga konsentrasi 60% di bawah 50 derajat. Suhu pengoperasian maksimum 150 derajat. Biaya tinggi tetapi menawarkan layanan puluhan tahun. Dapat dilas dan dibuat.
Zirkonium: Alternatif luar biasa dengan biaya lebih rendah. Menolak HF dengan membentuk film ZrO₂ yang lebih stabil dibandingkan TiO₂ dalam media fluorida. Konsentrasi HF maksimum 50% pada 30 derajat. Rentan terhadap pitting jika konsentrasi asam nitrat turun di bawah 10%.
PTFE (politetrafluoroetilen): Secara kimia inert terhadap campuran HF/HNO₃. Digunakan sebagai pelapis di atas substrat logam (biasanya baja karbon atau titanium untuk penyangga struktural). Suhu pengoperasian maksimum 200 derajat. Konduktivitas termal sangat rendah (0,25 W/m·K vs. 21 W/m·K untuk titanium), sehingga pemanas memerlukan luas permukaan yang jauh lebih besar.
Membuat Spesifikasi yang Diinformasikan
Saat menentukan pemanas untuk rendaman etsa HF/HNO₃ yang memerlukan ketahanan lebih dari 48 jam, jangan pilih kelas titanium apa pun. Kelas 2, Kelas 7, dan Kelas 12 semuanya gagal dalam beberapa jam. Untuk aplikasi yang mengutamakan biaya dan keandalan, tentukan pemanas rendam tantalum padat. Untuk aplikasi yang lebih-sensitif terhadap biaya, tentukan pemanas zirkonium dengan ketebalan dinding minimal 2,0 mm. Untuk opsi berbiaya terendah yang masih dapat bertahan selama 48{11}}jam, tentukan pemanas titanium berjaket PTFE yang PTFE memberikan ketahanan terhadap bahan kimia (ketebalan 0,5–1,0 mm) dan titanium memberikan dukungan struktural. Permintaan sertifikat uji korosi dari pemasok dalam rasio HF/HNO₃ spesifik dan suhu bak yang diinginkan. Selama pengoperasian, pantau konsentrasi HF setiap hari; kenaikan di atas 15% HF meningkatkan laju korosi pada zirkonium sebesar 10 kali lipat. Dengan memilih logam alternatif daripada mencoba memodifikasi kadar titanium, insinyur memastikan kinerja pemanas yang andal di salah satu dari sedikit lingkungan di mana titanium pada dasarnya tidak cocok.
