Dieser zweiteilige Artikel fasst die wichtigsten Punkte des Artikels zum Thema Elektropolieren zusammen und gibt einen Ausblick auf Tverbergs Präsentation auf der InterPhex später in diesem Monat. Im heutigen Teil 1 besprechen wir die Bedeutung des Elektropolierens von Edelstahlrohren, Elektropoliertechniken und Analysemethoden. Im zweiten Teil präsentieren wir die neuesten Forschungsergebnisse zu passivierten, mechanisch polierten Edelstahlrohren.
Teil 1: Elektropolierte Edelstahlrohre Die Pharma- und Halbleiterindustrie benötigt eine große Anzahl elektropolierter Edelstahlrohre. In beiden Fällen ist Edelstahl 316L die bevorzugte Legierung. Manchmal werden auch Edelstahllegierungen mit 6 % Molybdän verwendet; die Legierungen C-22 und C-276 sind für Halbleiterhersteller wichtig, insbesondere wenn gasförmige Salzsäure als Ätzmittel verwendet wird.
Charakterisieren Sie mühelos Oberflächendefekte, die sonst im Labyrinth der Oberflächenanomalien gewöhnlicher Materialien verborgen bleiben würden.
Die chemische Inertheit der Passivierungsschicht beruht darauf, dass sowohl Chrom als auch Eisen in der Oxidationsstufe 3+ vorliegen und keine nullwertigen Metalle sind. Mechanisch polierte Oberflächen behielten auch nach längerer thermischer Passivierung mit Salpetersäure einen hohen Gehalt an freiem Eisen im Film. Allein dieser Faktor verleiht elektropolierten Oberflächen einen großen Vorteil hinsichtlich der Langzeitstabilität.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den beiden Oberflächen ist das Vorhandensein (bei mechanisch polierten Oberflächen) bzw. Fehlen (bei elektropolierten Oberflächen) von Legierungselementen. Mechanisch polierte Oberflächen behalten die Hauptlegierungszusammensetzung bei geringem Verlust anderer Legierungselemente, während elektropolierte Oberflächen hauptsächlich nur Chrom und Eisen enthalten.
Herstellung elektropolierter Rohre: Um eine glatte elektropolierte Oberfläche zu erhalten, ist eine glatte Oberfläche unerlässlich. Das bedeutet, dass wir mit sehr hochwertigem Stahl beginnen, der für optimale Schweißbarkeit hergestellt wurde. Beim Schmelzen von Schwefel, Silizium, Mangan und desoxidierenden Elementen wie Aluminium, Titan, Kalzium, Magnesium und Deltaferrit ist eine sorgfältige Kontrolle erforderlich. Das Band muss wärmebehandelt werden, um eventuell entstehende Sekundärphasen während der Schmelzerstarrung oder bei der Hochtemperaturverarbeitung aufzulösen.
Darüber hinaus ist die Art der Bandoberfläche am wichtigsten. ASTM A-480 listet drei handelsübliche Oberflächenbeschaffenheiten für Kaltbänder auf: 2D (luftgeglüht, gebeizt und stumpfgewalzt), 2B (luftgeglüht, walzgebeizt und walzpoliert) und 2BA (blankgeglüht und schildpoliert). Atmosphäre). Walzen).
Profilierung, Schweißen und Wulsteinstellung müssen sorgfältig kontrolliert werden, um ein möglichst rundes Rohr zu erhalten. Nach dem Polieren ist selbst der kleinste Unterschnitt der Schweißnaht oder eine flache Linie der Wulst sichtbar. Darüber hinaus sind nach dem Elektropolieren Walzspuren, Walzmuster von Schweißnähten und mechanische Beschädigungen der Oberfläche deutlich sichtbar.
Nach der Wärmebehandlung muss der Innendurchmesser des Rohrs mechanisch poliert werden, um Oberflächendefekte zu beseitigen, die während der Bildung von Streifen und Rohr entstanden sind. In dieser Phase ist die Wahl der Streifenoberfläche entscheidend. Ist die Falte zu tief, muss mehr Metall von der Oberfläche des Innendurchmessers des Rohrs entfernt werden, um ein glattes Rohr zu erhalten. Ist die Rauheit gering oder fehlt, muss weniger Metall entfernt werden. Die beste elektropolierte Oberfläche, typischerweise im Bereich von 5 Mikrozoll oder glatter, wird durch Längsbandpolieren der Rohre erzielt. Bei dieser Art des Polierens wird der größte Teil des Metalls von der Oberfläche entfernt, typischerweise im Bereich von 0,001 Zoll, und dadurch Korngrenzen, Oberflächenfehler und gebildete Defekte entfernt. Beim Wirbelpolieren wird weniger Material entfernt, es entsteht eine „wolkige“ Oberfläche und typischerweise ein höherer Ra-Wert (durchschnittliche Oberflächenrauheit) im Bereich von 10 bis 15 Mikrozoll.
Elektropolieren ist eine umgekehrte Beschichtung. Eine Elektropolierlösung wird über den Innendurchmesser des Rohrs gepumpt, während die Kathode durch das Rohr gezogen wird. Das Metall wird vorzugsweise von den höchsten Punkten der Oberfläche entfernt. Ziel des Verfahrens ist es, die Kathode mit Metall zu galvanisieren, das sich im Inneren des Rohrs (der Anode) löst. Es ist wichtig, die Elektrochemie zu kontrollieren, um eine kathodische Beschichtung zu verhindern und die richtige Wertigkeit jedes Ions zu gewährleisten.
Beim Elektropolieren entsteht Sauerstoff an der Oberfläche der Anode oder des Edelstahls und Wasserstoff an der Oberfläche der Kathode. Sauerstoff ist ein wichtiger Bestandteil für die besonderen Eigenschaften elektropolierter Oberflächen, sowohl für die Erhöhung der Tiefe der Passivierungsschicht als auch für die Bildung einer echten Passivierungsschicht.
Das Elektropolieren erfolgt unter der sogenannten „Jacquet“-Schicht, einem polymerisierten Nickelsulfit. Alles, was die Bildung der Jacquet-Schicht stört, führt zu einer fehlerhaften elektropolierten Oberfläche. Meist handelt es sich dabei um ein Ion wie Chlorid oder Nitrat, das die Bildung von Nickelsulfit verhindert. Weitere störende Substanzen sind Silikonöle, Fette, Wachse und andere langkettige Kohlenwasserstoffe.
Nach dem Elektropolieren wurden die Rohre mit Wasser gespült und zusätzlich in heißer Salpetersäure passiviert. Diese zusätzliche Passivierung ist notwendig, um Nickelsulfitrückstände zu entfernen und das Chrom-Eisen-Verhältnis der Oberfläche zu verbessern. Anschließend passivierte Rohre wurden mit Prozesswasser gespült, in heißes deionisiertes Wasser gelegt, getrocknet und verpackt. Falls eine Reinraumverpackung erforderlich ist, werden die Rohre zusätzlich in deionisiertem Wasser gespült, bis die angegebene Leitfähigkeit erreicht ist, und anschließend vor der Verpackung mit heißem Stickstoff getrocknet.
Die gängigsten Methoden zur Analyse elektropolierter Oberflächen sind die Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) (auch bekannt als chemische Analyse-Elektronenspektroskopie). Bei der AES werden oberflächennah erzeugte Elektronen genutzt, um für jedes Element ein spezifisches Signal zu erzeugen, das eine Tiefenverteilung der Elemente liefert. Bei der XPS werden weiche Röntgenstrahlen genutzt, um Bindungsspektren zu erzeugen, die die Unterscheidung molekularer Spezies nach ihrem Oxidationszustand ermöglichen.
Ein Oberflächenrauheitswert mit einem Oberflächenprofil, das dem Oberflächenbild ähnelt, bedeutet nicht dasselbe Oberflächenbild. Die meisten modernen Profilmessgeräte können viele verschiedene Oberflächenrauheitswerte angeben, darunter Rq (auch RMS genannt), Ra, Rt (maximale Differenz zwischen minimalem Tiefpunkt und maximalem Hochpunkt), Rz (durchschnittliche maximale Profilhöhe) und mehrere weitere Werte. Diese Werte wurden durch verschiedene Berechnungen ermittelt, bei denen ein Diamantstift einmal um die Oberfläche gefahren wurde. Bei diesem Bypass wird ein sogenannter „Cutoff“-Wert elektronisch ausgewählt, auf dessen Basis die Berechnungen erfolgen.
Oberflächen lassen sich durch Kombinationen verschiedener Konstruktionswerte wie Ra und Rt besser beschreiben. Es gibt jedoch keine einzelne Funktion, die zwischen zwei verschiedenen Oberflächen mit demselben Ra-Wert unterscheiden kann. ASME veröffentlicht den Standard ASME B46.1, der die Bedeutung der einzelnen Berechnungsfunktionen definiert.
Weitere Informationen erhalten Sie von: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Telefon: 262-642-8210.