Dit tweedelige artikel vat de belangrijkste punten van het artikel over elektropolijsten samen en geeft een vooruitblik op de presentatie van Tverberg op InterPhex later deze maand. Vandaag, in deel 1, bespreken we het belang van elektropolijsten van roestvrijstalen buizen, elektropolijsttechnieken en analysemethoden. In het tweede deel presenteren we het meest recente onderzoek naar gepassiveerde, mechanisch gepolijste roestvrijstalen buizen.
Deel 1: Elektrolytisch gepolijste roestvrijstalen buizen De farmaceutische en halfgeleiderindustrie hebben een grote behoefte aan elektrolytisch gepolijste roestvrijstalen buizen. In beide gevallen is roestvrij staal 316L de voorkeurslegering. Roestvrijstalen legeringen met 6% molybdeen worden soms gebruikt; de legeringen C-22 en C-276 zijn belangrijk voor halfgeleiderfabrikanten, vooral wanneer gasvormig zoutzuur als etsmiddel wordt gebruikt.
Oppervlaktedefecten die anders verborgen zouden blijven in de wirwar van oppervlakteafwijkingen die in meer gangbare materialen voorkomen, kunnen nu eenvoudig worden gekarakteriseerd.
De chemische inertheid van de passiveringslaag is te danken aan het feit dat zowel chroom als ijzer zich in de oxidatietoestand 3+ bevinden en geen nulwaardige metalen zijn. Mechanisch gepolijste oppervlakken behielden een hoog gehalte aan vrij ijzer in de film, zelfs na langdurige thermische passivering met salpeterzuur. Alleen al deze factor geeft elektrolytisch gepolijste oppervlakken een groot voordeel op het gebied van stabiliteit op lange termijn.
Een ander belangrijk verschil tussen de twee oppervlakken is de aanwezigheid (bij mechanisch gepolijste oppervlakken) of afwezigheid (bij elektrolytisch gepolijste oppervlakken) van legeringselementen. Mechanisch gepolijste oppervlakken behouden de belangrijkste legeringssamenstelling met weinig verlies van andere legeringselementen, terwijl elektrolytisch gepolijste oppervlakken voornamelijk alleen chroom en ijzer bevatten.
Elektrolytisch gepolijste buizen maken Om een ​​glad elektrolytisch gepolijst oppervlak te verkrijgen, moet je beginnen met een glad oppervlak. Dit betekent dat we beginnen met zeer hoogwaardig staal, geproduceerd voor optimale lasbaarheid. Controle is noodzakelijk bij het smelten van zwavel, silicium, mangaan en deoxiderende elementen zoals aluminium, titanium, calcium, magnesium en deltaferriet. De strip moet warmtebehandeld worden om eventuele secundaire fasen op te lossen die tijdens het stollen van het smeltbad of tijdens de verwerking bij hoge temperaturen kunnen ontstaan.
Daarnaast is het type afwerking van de strepen het belangrijkst. ASTM A-480 noemt drie commercieel verkrijgbare oppervlakteafwerkingen voor koudgewalste strepen: 2D (aan de lucht gegloeid, gebeitst en stomp gewalst), 2B (aan de lucht gegloeid, gewalst gebeitst en gewalst gepolijst) en 2BA (helder gegloeid en afgeschermd gepolijst).
Het profileren, lassen en afstellen van de lasrups moeten zorgvuldig worden gecontroleerd om een ​​zo rond mogelijke buis te verkrijgen. Na het polijsten zal zelfs de kleinste ondersnijding van de las of een vlakke lijn van de lasrups zichtbaar zijn. Bovendien zullen na elektropolijsten sporen van walsen, walspatronen van lassen en eventuele mechanische beschadigingen aan het oppervlak duidelijk zichtbaar zijn.
Na de warmtebehandeling moet de binnendiameter van de buis mechanisch worden gepolijst om oppervlaktedefecten te verwijderen die tijdens de vorming van de strip en de buis zijn ontstaan. In dit stadium is de keuze van de afwerking van de strip cruciaal. Als de vouw te diep is, moet er meer metaal van het oppervlak van de binnendiameter van de buis worden verwijderd om een ​​gladde buis te verkrijgen. Als de ruwheid gering is of afwezig, hoeft er minder metaal te worden verwijderd. De beste elektrolytisch gepolijste afwerking, doorgaans in het bereik van 5 micro-inch of gladder, wordt verkregen door de buizen in de lengterichting te polijsten. Dit type polijsten verwijdert het grootste deel van het metaal van het oppervlak, doorgaans in het bereik van 0,001 inch, waardoor korrelgrenzen, oppervlakte-imperfecties en gevormde defecten worden verwijderd. Wervelpolijsten verwijdert minder materiaal, creëert een "troebel" oppervlak en produceert doorgaans een hogere Ra (gemiddelde oppervlakteruwheid) in het bereik van 10-15 micro-inch.
Elektropolijsten is in feite een omgekeerde coating. Een elektropolijstvloeistof wordt over de binnendiameter van de buis gepompt, terwijl de kathode door de buis wordt gezogen. Het metaal wordt bij voorkeur verwijderd van de hoogste punten op het oppervlak. Het proces is erop gericht de kathode te galvaniseren met metaal dat oplost vanuit de binnenkant van de buis (oftewel de anode). Het is belangrijk de elektrochemie te beheersen om kathodische coating te voorkomen en de juiste valentie voor elk ion te behouden.
Tijdens het elektropolijsten wordt zuurstof gevormd op het oppervlak van de anode of het roestvrij staal, en waterstof op het oppervlak van de kathode. Zuurstof is een essentieel bestanddeel voor het creëren van de speciale eigenschappen van elektropolijste oppervlakken, zowel om de dikte van de passiveringslaag te vergroten als om een ​​echte passiveringslaag te vormen.
Elektropolijsten vindt plaats onder de zogenaamde "Jacquet"-laag, een gepolymeriseerd nikkelsulfiet. Alles wat de vorming van de Jacquet-laag verstoort, resulteert in een defect elektropolijst oppervlak. Dit is meestal een ion, zoals chloride of nitraat, dat de vorming van nikkelsulfiet belemmert. Andere storende stoffen zijn siliconenoliën, vetten, wassen en andere koolwaterstoffen met lange ketens.
Na het elektropolijsten werden de buizen gewassen met water en vervolgens gepassiveerd in heet salpeterzuur. Deze extra passivering is nodig om eventueel resterend nikkelsulfiet te verwijderen en de verhouding chroom/ijzer aan het oppervlak te verbeteren. De gepassiveerde buizen werden vervolgens gewassen met proceswater, in heet gedemineraliseerd water geplaatst, gedroogd en verpakt. Indien verpakking in een cleanroom vereist is, worden de buizen extra gespoeld met gedemineraliseerd water totdat de gewenste geleidbaarheid is bereikt, waarna ze vóór het verpakken met hete stikstof worden gedroogd.
De meest gebruikte methoden voor het analyseren van elektrolytisch gepolijste oppervlakken zijn Auger-elektronspectroscopie (AES) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) (ook bekend als chemische analyse-elektronspectroscopie). AES gebruikt elektronen die nabij het oppervlak worden gegenereerd om een ​​specifiek signaal voor elk element te creëren, wat een verdeling van elementen met de diepte oplevert. XPS gebruikt zachte röntgenstralen die bindingsspectra creëren, waardoor moleculaire soorten kunnen worden onderscheiden op basis van hun oxidatietoestand.
Een oppervlakteruwheidswaarde met een oppervlakteprofiel dat lijkt op het uiterlijk van het oppervlak, betekent niet dat het oppervlak er ook daadwerkelijk zo uitziet. De meeste moderne profilers kunnen verschillende oppervlakteruwheidswaarden rapporteren, waaronder Rq (ook bekend als RMS), Ra, Rt (maximaal verschil tussen het laagste punt en de hoogste piek), Rz (gemiddelde maximale profielhoogte) en diverse andere waarden. Deze waarden zijn verkregen door verschillende berekeningen uit te voeren met een enkele doorgang over het oppervlak met een diamantpen. Bij deze methode wordt een gedeelte, de zogenaamde "cutoff", elektronisch geselecteerd en worden de berekeningen op dit gedeelte gebaseerd.
Oppervlakken kunnen beter worden beschreven met behulp van combinaties van verschillende ontwerpwaarden zoals Ra en Rt, maar er is geen enkele functie die onderscheid kan maken tussen twee verschillende oppervlakken met dezelfde Ra-waarde. ASME publiceert de ASME B46.1-norm, die de betekenis van elke berekeningsfunctie definieert.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Telefoon: 262-642-8210.