Dalam Pemanas Rendaman Elektrik Titanium untuk Penyelesaian Natrium Dikromat 10% pada 70 darjah, Mengapa Ion Kromium Heksavalen Tidak Memasifkan Permukaan Titanium Walaupun Menjadi Pengoksida Kuat?

Natrium Dikromat (Na2Cr2O7) ialah larutan pengoksidaan yang kuat, 10% pada 70 darjah . Kromium heksavalen (Cr⁶⁺) ialah pengoksida yang kuat, mempunyai potensi pengurangan piawai +1.33 V untuk Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺. Ion kromat digunakan untuk memasifkan beberapa logam, contohnya keluli tahan karat. Walau bagaimanapun, kromium heksavalen pada titanium tidak membentuk filem pasif yang stabil. Ion kromium tidak digabungkan ke dalam kekisi titanium dioksida. Potensi pengoksidaan yang tinggi sebenarnya mendorong titanium ke kawasan transpasif, mengakibatkan pembubaran berterusan filem pasif. Kadar kakisan titanium dalam 10% natrium dikromat pada 70 darjah ialah 0.05-0.15 mm setahun, yang lebih tinggi daripada kebanyakan larutan klorida neutral. Mekanisme Kelakuan Titanium dalam Penyelesaian Kromium Heksavalen Filem TiO2 yang stabil memasifkan titanium. Dalam larutan dikromat, proses pengurangan Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O berlaku pada permukaan titanium. Disebabkan oleh ketumpatan arus pertukaran yang tinggi bagi tindak balas ini, potensi campuran titanium dialihkan kepada nilai yang lebih tinggi daripada +1.0 V vs elektrod hidrogen konvensional. Dengan potensi mulia seperti itu titanium mencapai kawasan transpasif di mana lapisan TiO 2 terus teroksida kepada spesies Ti 4+ larut. Filem pasif tidak stabil dan larut secara berterusan. Ion kromat tidak membentuk sebatian tidak larut dengan titanium, yang mungkin berfungsi sebagai lapisan penghalang, seperti yang berlaku pada besi dan kromium, di mana kromat menghasilkan oksida spinel pelindung. Kadar Kakisan Kuantitatif dan Pencirian Permukaan Tingkah laku kakisan titanium Gred 2 telah disahkan dengan ujian terkawal selama 1,000 jam pada 70 darjah dalam 10% Na₂Cr₂O₇ sebagai: Kadar kakisan ialah 0.05–0.15 mm/tahun, iaitu pada suhu yang lebih tinggi daripada air tawar untuk air tawar yang sama.{40}}–15 kali Permukaan berwarna kuning-perubahan warna coklat akibat termendap krom oksida atau hidroksida. Penyiasatan spektroskopi fotoelektron sinar-X menunjukkan bahawa salutan permukaan ialah gabungan berliang, bukan{48}}pelindung TiO₂ dan Cr(OH)₃. Potensi litar terbuka{100}}menstabilkan di rantau transpasif pada +0.6 hingga +0.9 V lwn. Ag/AgCl . Tiada pitting kelihatan tetapi penipisan seragam dicatatkan. Sebaliknya, kadar kakisan titanium Gred 2 dalam 3% NaCl pada 70 darjah ialah 0.01–0.03 mm/th dengan potensi pasif +0.1 hingga +0.3 V. Kesan Kepekatan dan Suhu terhadap Keterukan Kakisan Kadar kakisan meningkat dengan peningkatan kepekatan dan suhu dikromat. Kadar kakisan pada 5% Na2Cr2O7 dan 70 darjah ialah 0.03-0.08 mm setahun. Pada 10% dan 70 darjah kadarnya ialah 0.05-0.15 mm/tahun. Pada 15% dan 70 darjah kadar meningkat kepada 0.08-0.20 mm/tahun. Pada 10% dan 50 darjah kadar menurun kepada 0.02–0.05 mm/tahun. Pada 10% dan 90 darjah kadar meningkat kepada 0.10-0.25 mm/tahun. Kadarnya ialah 0.15–0.35 mm setahun pada 20% dan 90 darjah . Hakisan adalah homogen tanpa pitting, kerana pembubaran transpasif adalah seragam di atas permukaan. Tenaga pengaktifan untuk proses adalah sekitar 40 kJ/mol yang menunjukkan kawalan kinetik dan resapan bercampur. Tingkah laku kakisan titanium pelbagai gred dalam larutan dikromat Jadual di bawah menunjukkan kadar kakisan beberapa gred titanium dalam 10% natrium dikromat pada 70 darjah selama 1,000 jam dan ciri-ciri filem pasifnya. Kadar Kakisan Gred Titanium (mm/tahun) Potensi Litar Terbuka Komposisi Filem Permukaan (V lwn. Ag/AgCl) Pitting Cerap Gred 2 (tulen secara komersial) 0.05-0.15 TiO2 + Cr(OH)3 (berliang)+0.6 hingga +0.9 Tid0 Tiada Gred 0.04–0.12 TiO2 + Cr(OH)3 + Pd +0.7 hingga +1.0 Tiada Gred 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) 0.06–0.18 TiO2 + Cr(OH){{1}{1}} 2 Gred Mo{1}{1}2} (Ti-6Al-4V) 0.08–0.22 Campuran oksida +0.5 hingga +0.8 Tiada Panduan Tebatan dan Pemilihan Bahan untuk Perkhidmatan Dikromat Jadual berikut disyorkan untuk pemilihan pemanas titanium dan had operasi untuk aplikasi yang memerlukan pemanasan larutan natrium dikromat. Kepekatan Dikromat (%) Suhu ( darjah ) Gred Titanium Disyorkan Kadar Kakisan Jangkaan (mm/tahun) Jangkaan Hayat (dinding 1.5 mm)<5 <50 Grade 2 <0.03 >10 years 50–70 5–10 0.05–0.12 3–5 years Grade 7 10–15 70 Grade 7 0.08–0.20 2–3 years >15 >70 Not recommended >0.20 <2 years Engineering Grade Selection Beyond Wall thickness provides a corrosion allowance . A 2.0 mm wall corrodes at a rate of 0.10 mm per year for 20 years . The tube surface finish has little effect on transpassive dissolution. The inclusion of chlorides in the dichromate solution, which may be due to the presence of dirty water, raises the corrosion rate by 2-3 times. The addition of sulphate ions has a small inhibitory effect. Deaeration of the solution for oxygen removal slows the cathodic process and reduces the corrosion rate by 30-50%. Choosing Wisely. For a titanium electric immersion heater in 10 % sodium dichromate at 70 °C, expect a corrosion rate of 0.05 to 0.15 mm per year for Grade 2 or 0.04 to 0.12 mm per year for Grade 7. Use a minimum wall thickness of 2.0 mm for a service life of 10 to 20 years. Dichromate solution can be diluted, or the working temperature lowered for higher concentrations or temperatures. During operation, check the heater for variations in electrical resistance that may indicate thinning. If the solution is polluted with chlorides, lower the temperature to 50 °C. The engineer, knowing that hexavalent chromium does not passivate titanium but transpassively dissolves it, chooses the proper wall thickness and grade for predictable service life in sodium dichromate solutions.