濃度 10%、温度 70 度の重クロム酸ナトリウム (Na2Cr2O7) は、強力な酸化性溶液です。六価クロム (Cr⁶⁺) は、Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺ の標準還元電位 +1.33 V を持つ強力な酸化剤です。ステンレス鋼などの多くの金属では、クロム酸イオンが不動態化を促進します。しかし、チタンでは六価クロムは安定した不動態皮膜を形成しません。クロムイオンは二酸化チタンの格子には組み込まれず、高い酸化電位が実際にチタンを超不動態領域に押し込み、不動態皮膜の継続的な溶解を引き起こします。 70 度の 10% 重クロム酸ナトリウム中でのチタンの腐食速度は年間 0.05 ～ 0.15 mm であり、これは多くの中性塩化物溶液よりも速いです。

六価クロム溶液中でのチタンの挙動のメカニズム

チタンは不動態化のために安定した TiO2 膜に依存しています。重クロム酸塩溶液では、還元反応 Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr3⁺ + 7H₂O がチタン表面で起こります。この反応は交換電流密度が高く、チタンの混合電位を標準の水素電極に対して +1.0 V を超える値にシフトします。このような高電位では、チタンは過不動態領域に入り、そこで TiO2 膜がさらに酸化して可溶性 Ti4+ 種になります。不動態皮膜は安定したままではなく、継続的に溶解します。さらに、クロム酸塩が保護スピネル酸化物を形成する鉄やクロムとは異なり、クロム酸イオンはチタンとバリア層として機能する不溶性化合物を形成しません。

定量的な腐食速度と表面分析

10% Na₂Cr₂O₇ 中で 70 度で 1,000 時間にわたる制御されたテストにより、グレード 2 チタンの次の腐食挙動が確立されました。腐食速度は年間 0.05 ～ 0.15 mm で、これは同じ温度の淡水中での速度よりも 5 ～ 15 倍速くなります。表面には酸化クロムまたは水酸化クロムの堆積により黄褐色の変色が見られます。- X-線光電子分光分析によると、表面膜にはTiO₂とCr(OH)₃の混合物が含まれていますが、膜は多孔質で保護力がありません。 - 開回路電位は、Ag/AgCl に対して +0.6 ～ +0.9 V で安定し、過不動態領域にあります。孔食は観察されない。代わりに、均一な薄化が発生します。比較すると、70 度の 3% NaCl 中でのグレード 2 チタンの腐食速度は年間 0.01 ～ 0.03 mm で、不動態電位は +0.1 ～ +0.3 V です。

腐食の度合いに対する濃度と温度の影響

腐食速度は、重クロム酸塩の濃度と温度の両方とともに増加します。 5% Na₂Cr₂O₇ および 70 度では、腐食速度は年間 0.03 ～ 0.08 mm です。 10% および 70 度では、その速度は年間 0.05 ～ 0.15 mm です。 15% および 70 度では、速度は年間 0.08 ～ 0.20 mm に増加します。 10% および 50 度では、速度は年間 0.02 ～ 0.05 mm に低下します。 10% および 90 度では、速度は年間 0.10 ～ 0.25 mm に増加します。 20% および 90 度では、速度は年間 0.15 ～ 0.35 mm に達します。透過不動態溶解が表面全体に均一に起こるため、腐食は孔食がなく均一です。このプロセスの活性化エネルギーは約 40 kJ/mol であり、速度制御と拡散制御が混合していることを示しています。

重クロム酸塩溶液中でのさまざまなチタングレードの腐食挙動

次の表は、10% 重クロム酸ナトリウム中、70 度で 1,000 時間にわたるさまざまなチタン グレードの腐食速度とその不動態皮膜特性を比較したものです。

重クロム酸塩サービスの軽減および材料選択ガイド

重クロム酸ナトリウム溶液の加熱が必要な用途について、次の表にチタン ヒーターの選択と動作制限に関する推奨事項を示します。

グレード選択を超えたエンジニアリング

肉厚により腐食許容量が得られます。 2.0 mm の壁は年間 0.10 mm の腐食速度で 20 年間持続します。チューブの表面仕上げは、透過的溶解に対する影響を最小限に抑えます。重クロム酸塩溶液中に塩化物が存在すると、不純な水から発生する可能性があり、腐食速度が 2 ～ 3 倍増加します。硫酸イオンの添加にはわずかな抑制効果があります。溶液を脱気して酸素を除去すると、腐食速度を 30 ～ 50% 低減でき、陰極反応が遅くなります。

情報に基づいた仕様の作成

10% 重クロム酸ナトリウム、70 度のチタン電気浸漬ヒーターの場合、グレード 2 の場合は年間 0.05 ～ 0.15 mm、グレード 7 の場合は年間 0.04 ～ 0.12 mm の腐食速度が予想されます。10 ～ 20 年の耐用年数を提供するには、最小肉厚を 2.0 mm に指定します。濃度または温度が高い場合は、動作温度を下げるか、重クロム酸塩溶液を希釈することを検討してください。動作中、ヒーターの電気抵抗の変化を監視してください。これは薄化を示している可能性があります。溶液が塩化物で汚染されている場合は、温度を 50 度まで下げます。六価クロムはチタンを不動態化せず、代わりに透過不動態溶解を引き起こすことを理解することで、エンジニアは重クロム酸ナトリウム溶液で予測可能な耐用年数を実現する適切な壁厚とグレードを選択します。