塩化第二鉄サービスにおけるチタン表面仕上げとのトレードオフ-
塩化第二鉄 (FeCl 3 ) エッチング溶液は酸化性が高く、ほとんどの金属に対して激しい腐食性を示します。典型的な塩化第二鉄は 42 度 Bé (約 40% FeCl 3 ) です。チタンが選択された理由は、不動態の TiO2 層により FeCl3 に対する耐性が得られるためです。ただし、孔食は不動態皮膜の局所的な破壊であり、通常は表面の傷、介在物、またはマイクロスケールの隙間に発生します。平均粗さ Ra で測定される表面仕上げは、考えられる孔食開始部位の量とサイズに直接影響します。より滑らかな表面 (低 Ra) により、微細な亀裂が除去され、塩化物イオンが集中するサイトの数が減少します。非常に平滑な表面 (Ra < 0.2 µm) には電解研磨または機械研磨が必要であり、コストがかかります。現在の研究では、42度BéFeCl3、50度におけるRa値と孔食誘発時間との相関関係を決定し、孔食が発生するまでの最大持続時間を提供する表面仕上げを確立した。

機械的完全性への影響: 孔食の発生と表面粗さ
塩化第二鉄溶液中のチタン上の孔食は、不動態皮膜が最も薄い場所、または亀裂により塩化物が蓄積する場所から始まります。粗い表面（Ra > 1.0 µm）では、谷は微細な亀裂のようなものになります。これらの谷の幅は通常 5 ～ 20 µm で、深さは Ra 値と同じオーダーです。これらの谷では、拡散の制約により塩化物イオンが蓄積し、金属塩化物の加水分解により局所的な pH が低下し、孔食が発生します。滑らかな表面 (Ra < 0.4 μm) では、谷は浅くなります (<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.

熱性能: 表面仕上げと熱伝達の影響
表面仕上げも熱輸送に影響しますが、耐孔食性には二次的なものです。より粗い表面の実際の表面積は大きく（一般に、Ra= 1.5 μm の投影面積の 2 ～ 5 倍）、理論的には、塩化第二鉄溶液との接触面積が増えることで熱伝達が強化されます。しかし実際には、対流境界層の厚さ (通常 50 ～ 200 μm) は粗さの特徴よりもかなり大きいため、5 μm 未満の値では熱伝達係数は Ra にほとんど依存しません。電解研磨 (Ra=0.1µm) では、機械研磨した表面と比較して実際の表面積が約 5% 減少し、結果として (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

トレードオフの総合: Ra 値と孔食誘発時間
表面仕上げ Ra 値 (μm) 方法 E_pit (V vs. Ag/AgCl) 最初のピットまでの誘導時間 (時間、42 度 Bé FeCl3、50 度) 相対コスト係数
-引抜のまま（ミル仕上げ） 1.2 – 1.8 なし +0.65 V 20 – 40 時間 1.0× 酸洗い（酸除去） 0.8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF 浸漬 +0.70 V 50 – 100 時間 1.1× 機械研磨 (320 グリット) 0.4 – 0.6 ベルトまたはホイールの研磨 +0.80 V 300 – 500 時間 1.5×
機械研磨 (600 グリット) 0.2 – 0.3 微砥粒研磨 +0.88 V 2.0× 1,000 - 2,000 時間
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5,000 時間. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 か月の連続運転）、- 描かれた表面には 1 ～ 2 日以内に穴が開きます。 Ra が減少するにつれて、改善は指数関数的に増加します。

仕上げ後のエンジニアリング: 不動態化と研磨後処理-
最高の耐孔食性を得るには、電解研磨された表面に硝酸不動態化ステップ (20% HNO 3、50 度で 30 分間) を続ける必要があります。この処理により、天然の不動態皮膜よりも厚く、より安定した、均質で欠陥のない TiO2 層が得られます。-塩化第二鉄中で使用されている不動態化電解研磨チタンは、10,000 時間の実験室テストの後でも孔食を示しません。電解研磨がアプリケーションにとって高価すぎる場合、600 グリットの機械研磨 (Ra ≈ 0.25 µm) と不動態化により、誘導時間は 1,000 ～ 2,000 時間となり、バッチ間でヒーターを取り外して洗浄する多くのバッチ エッチング手順に適しています。ポイントは、孔食の発生場所となる可能性のある表面汚染物質 (鉄粒子、グリース、埋め込まれた研磨剤) を避けることです。

結論: 電解研磨 (Ra 0.15 μm 以下) が最長の誘導時間を実現
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ヶ月。機械的に研磨された表面 (Ra=0.2 – 0.6 µm) により、中間誘導時間は 300 ～ 2,000 時間となり、要求がそれほど厳しくない用途に適しています。電解研磨には重要な熱的影響はありません。 Ra 0.15 μm 以下が検証された電解研磨表面仕上げと、研磨後に 20% 硝酸で不動態化された塩化第二鉄エッチング用のヒーターを指定します。しかし、仕上げコストの増加は、孔食関連の問題の回避と耐用年数の延長によって補われます。{12}}メンテナンス間隔の予想される連続稼働時間に基づいて、適切な表面仕上げを選択します。 1,000 時間を超える用途には、電解研磨をお勧めします。