Bài viết gồm hai phần này tóm tắt những điểm chính của bài báo về điện phân đánh bóng và giới thiệu trước bài thuyết trình của Tverberg tại hội nghị InterPhex vào cuối tháng này. Hôm nay, trong Phần 1, chúng ta sẽ thảo luận về tầm quan trọng của việc điện phân đánh bóng ống thép không gỉ, các kỹ thuật điện phân đánh bóng và các phương pháp phân tích. Trong phần thứ hai, chúng ta sẽ trình bày những nghiên cứu mới nhất về ống thép không gỉ được đánh bóng cơ học và được thụ động hóa.
Phần 1: Ống thép không gỉ được đánh bóng điện hóa Ngành dược phẩm và bán dẫn cần một lượng lớn ống thép không gỉ được đánh bóng điện hóa. Trong cả hai trường hợp, thép không gỉ 316L là hợp kim được ưa chuộng. Hợp kim thép không gỉ có chứa 6% molypden đôi khi cũng được sử dụng; hợp kim C-22 và C-276 rất quan trọng đối với các nhà sản xuất bán dẫn, đặc biệt khi sử dụng axit clohydric dạng khí làm chất ăn mòn.
Dễ dàng xác định các khuyết tật bề mặt mà nếu không sẽ bị che khuất trong mê cung các bất thường bề mặt thường thấy ở các vật liệu thông thường hơn.
Tính trơ về mặt hóa học của lớp thụ động hóa là do cả crom và sắt đều ở trạng thái oxy hóa 3+, và không phải là kim loại hóa trị không. Bề mặt được đánh bóng cơ học vẫn giữ được hàm lượng sắt tự do cao trong lớp màng ngay cả sau quá trình thụ động hóa nhiệt kéo dài với axit nitric. Chỉ riêng yếu tố này đã mang lại cho bề mặt được đánh bóng điện hóa một lợi thế lớn về độ ổn định lâu dài.
Một điểm khác biệt quan trọng nữa giữa hai loại bề mặt này là sự hiện diện (ở bề mặt được đánh bóng cơ học) hoặc không có (ở bề mặt được đánh bóng điện hóa) của các nguyên tố hợp kim. Bề mặt được đánh bóng cơ học giữ lại thành phần hợp kim chính với rất ít sự mất mát các nguyên tố hợp kim khác, trong khi bề mặt được đánh bóng điện hóa chủ yếu chỉ chứa crom và sắt.
Sản xuất ống thép mạ điện Để có được bề mặt mạ điện mịn, cần phải bắt đầu với một bề mặt mịn. Điều này có nghĩa là chúng ta bắt đầu với thép chất lượng rất cao, được sản xuất để có khả năng hàn tối ưu. Việc kiểm soát là cần thiết khi nung chảy lưu huỳnh, silic, mangan và khử oxy các nguyên tố như nhôm, titan, canxi, magie và delta ferit. Thép dải phải được xử lý nhiệt để hòa tan bất kỳ pha thứ cấp nào có thể hình thành trong quá trình đông đặc nóng chảy hoặc hình thành trong quá trình xử lý ở nhiệt độ cao.
Ngoài ra, loại bề mặt hoàn thiện của dải thép là yếu tố quan trọng nhất. Tiêu chuẩn ASTM A-480 liệt kê ba loại bề mặt hoàn thiện dải thép nguội có sẵn trên thị trường: 2D (ủ trong không khí, tẩy gỉ và cán cùn), 2B (ủ trong không khí, tẩy gỉ bằng con lăn và đánh bóng bằng con lăn), và 2BA (ủ sáng và đánh bóng bằng tấm chắn).
Việc tạo hình, hàn và điều chỉnh đường hàn phải được kiểm soát cẩn thận để có được ống tròn nhất có thể. Sau khi đánh bóng, ngay cả vết lõm nhỏ nhất của mối hàn hoặc đường hàn phẳng cũng sẽ dễ dàng nhận thấy. Ngoài ra, sau khi điện phân đánh bóng, dấu vết của quá trình cán, các hoa văn cán của mối hàn và bất kỳ hư hỏng cơ học nào trên bề mặt cũng sẽ hiện rõ.
Sau khi xử lý nhiệt, đường kính trong của ống phải được đánh bóng cơ học để loại bỏ các khuyết tật bề mặt hình thành trong quá trình tạo hình dải và ống. Ở giai đoạn này, việc lựa chọn độ nhám của dải trở nên rất quan trọng. Nếu nếp gấp quá sâu, cần phải loại bỏ nhiều kim loại hơn từ bề mặt đường kính trong của ống để có được ống nhẵn. Nếu độ nhám nông hoặc không có, cần loại bỏ ít kim loại hơn. Độ nhám điện phân tốt nhất, thường nằm trong khoảng 5 micro-inch hoặc mịn hơn, được tạo ra bằng cách đánh bóng dải dọc các ống. Loại đánh bóng này loại bỏ hầu hết kim loại khỏi bề mặt, thường trong khoảng 0,001 inch, do đó loại bỏ các ranh giới hạt, các khuyết tật bề mặt và các lỗi hình thành. Đánh bóng xoáy loại bỏ ít vật liệu hơn, tạo ra bề mặt "mờ" và thường tạo ra Ra (độ nhám bề mặt trung bình) cao hơn trong khoảng 10–15 micro-inch.
Đánh bóng điện hóa (Electropolishing) chỉ đơn giản là một quá trình phủ ngược. Dung dịch đánh bóng điện hóa được bơm qua đường kính bên trong của ống trong khi cực âm được kéo xuyên qua ống. Kim loại được loại bỏ tốt nhất từ ​​những điểm cao nhất trên bề mặt. Quá trình này "hy vọng" sẽ mạ kẽm cực âm bằng kim loại hòa tan từ bên trong ống (tức là cực dương). Điều quan trọng là phải kiểm soát điện hóa để ngăn ngừa sự hình thành lớp phủ catốt và duy trì đúng hóa trị cho mỗi ion.
Trong quá trình điện phân đánh bóng, oxy được hình thành trên bề mặt cực dương hoặc thép không gỉ, và hydro được hình thành trên bề mặt cực âm. Oxy là thành phần quan trọng tạo nên các đặc tính đặc biệt của bề mặt được điện phân đánh bóng, giúp tăng độ dày của lớp thụ động hóa và tạo ra một lớp thụ động hóa thực sự.
Quá trình điện phân đánh bóng diễn ra dưới lớp “Jacquet”, được gọi là lớp sunfit niken polyme hóa. Bất cứ thứ gì cản trở sự hình thành lớp Jacquet đều sẽ dẫn đến bề mặt được điện phân đánh bóng bị lỗi. Thông thường đó là các ion, chẳng hạn như clorua hoặc nitrat, ngăn cản sự hình thành sunfit niken. Các chất gây cản trở khác bao gồm dầu silicon, mỡ, sáp và các hydrocacbon mạch dài khác.
Sau khi đánh bóng điện hóa, các ống được rửa sạch bằng nước và tiếp tục được thụ động hóa trong axit nitric nóng. Quá trình thụ động hóa bổ sung này là cần thiết để loại bỏ bất kỳ sunfit niken dư thừa nào và cải thiện tỷ lệ crom/sắt trên bề mặt. Các ống đã được thụ động hóa sau đó được rửa sạch bằng nước xử lý, đặt trong nước khử ion nóng, sấy khô và đóng gói. Nếu yêu cầu đóng gói trong phòng sạch, ống sẽ được rửa thêm bằng nước khử ion cho đến khi đạt được độ dẫn điện quy định, sau đó sấy khô bằng nitơ nóng trước khi đóng gói.
Các phương pháp phổ biến nhất để phân tích bề mặt được đánh bóng điện hóa là quang phổ điện tử Auger (AES) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS) (còn được gọi là quang phổ điện tử phân tích hóa học). AES sử dụng các electron được tạo ra gần bề mặt để tạo ra tín hiệu đặc trưng cho từng nguyên tố, từ đó cho biết sự phân bố các nguyên tố theo chiều sâu. XPS sử dụng tia X mềm tạo ra phổ liên kết, cho phép phân biệt các loại phân tử theo trạng thái oxy hóa.
Giá trị độ nhám bề mặt tương tự với hình dạng bề mặt không có nghĩa là bề mặt đó có hình dạng giống nhau. Hầu hết các máy đo độ nhám hiện đại có thể báo cáo nhiều giá trị độ nhám bề mặt khác nhau, bao gồm Rq (còn gọi là RMS), Ra, Rt (chênh lệch tối đa giữa điểm thấp nhất và điểm cao nhất), Rz (chiều cao trung bình của biên dạng tối đa) và một số giá trị khác. Các biểu thức này được thu được từ nhiều phép tính khác nhau bằng cách sử dụng một lần quét quanh bề mặt bằng bút kim cương. Trong phương pháp này, một phần được gọi là "điểm cắt" được chọn bằng điện tử và các phép tính được dựa trên phần này.
Bề mặt có thể được mô tả tốt hơn bằng cách sử dụng sự kết hợp của các giá trị thiết kế khác nhau như Ra và Rt, nhưng không có hàm nào duy nhất có thể phân biệt giữa hai bề mặt khác nhau có cùng giá trị Ra. ASME đã ban hành tiêu chuẩn ASME B46.1, trong đó định nghĩa ý nghĩa của từng hàm tính toán.
Để biết thêm thông tin chi tiết, vui lòng liên hệ: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Điện thoại: 262-642-8210.