Ekstremno okruženje
Jetkanje mješovitom kiselinom za primjenu u poluvodiču, zrakoplovstvu i završnoj obradi metala koristi kombinacije dušične kiseline i fluorovodične kiseline na temperaturama od 60-90 stupnjeva. Ovo okruženje napada gotovo sve metale. Dušična kiselina daje jaku oksidacijsku moć. Fluorovodična kiselina daje ione fluorida koji tvore stabilne, topljive komplekse s većinom metalnih kationa, uništavajući svaki pasivni film koji bi inače mogao zaštititi površinu.
Tantal je jedan od rijetkih metala s korisnom otpornošću na ovo okruženje. Tantal-volfram legura (Ta-2,5W ili Ta-10W) poboljšava ionako izvrsnu otpornost na koroziju čistog tantala kroz ojačavanje čvrstom otopinom koja također povećava otpornost na napad fluorida. Ove legure predstavljaju vrhunac otpornosti na metalnu koroziju u radu s miješanim kiselinama.
PTFE je otporan na obje kiseline. Usporedba je između najboljeg dostupnog metalnog materijala-s mjerljivom, konačnom otpornošću na koroziju-i polimera koji ne može korodirati u ovom okruženju.
Mehanizam korozije tantal-volframa u HF
Tantal je otporniji na HF bolje od bilo kojeg drugog komercijalnog metala osim iridija i platine. Njegov pasivni film Ta₂O₅ jedan je od kemijski najotpornijih poznatih oksida. Dodatak volframa ojačava leguru i neznatno poboljšava otpornost na napad fluorida modificirajući elektroničku strukturu pasivnog filma.
Međutim, legura tantal-volframa nije imuna na HF. Na 80 stupnjeva u smjesama HNO₃-HF, pasivni film se otapa brzinom od 0,005-0,02 mm/godišnje. Otapanje je općenito jednolično, ali se može lokalizirati na površinskim defektima, granicama zrna ili područjima mehaničkih oštećenja. Ogrebotina koja prodre kroz pasivni film postaje mjesto ubrzanog napada dok se film ponovno ne formira.
Ujednačenom brzinom otapanja moguće je upravljati s dodatkom za koroziju. Rizik je lokalizirani kvar. Ako se sićušna čestica željeza iz alata ugradi u površinu tantala tijekom izrade ili održavanja, formira aktivnu galvansku ćeliju. Tantal oko željezne čestice prvenstveno korodira. Jamica nastaje i širi se pod kombiniranim utjecajem mješavine kiselina i galvanske pokretačke sile.
Tablica 1: Usporedba otpornosti na koroziju miješanih kiselina (20% HNO₃ + 5% HF, 80 stupnjeva )
| Parametar korozije | Tantal-volfram (Ta-2,5W) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam zaštite od korozije | Ta₂O₅ pasivni film | Inherentna stabilnost C{0}}F veze |
| Uniformna stopa korozije (mm/godina) | 0.005-0.02 | 0 |
| Lokalizirani rizik od korozije | Niska, ali ne nula (osjetljivost na kontaminaciju Fe) | Nijedan |
| Osjetljivost na povećanje koncentracije HF | Umjereno (stopa proporcionalna [HF]) | Nijedan |
| Osjetljivost na povećanje temperature | Visoko (stopa se udvostručuje na svakih 10-15 stupnjeva) | Ništa (ispod 260 stupnjeva) |
| Trošak materijala (relativan) | 30-50× | 1× |
| Složenost izrade | Izuzetno visoka (specijalizirano zavarivanje; uvjeti čiste sobe) | Umjereno |
| Toplinska vodljivost (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Potrebna relativna površina | 1,0 × (osnovna linija) | 3-4× |
| Predvidljivost radnog vijeka | Umjeren (rizik stohastičkog pitinga) | Visok (izračun-temeljen na puzanju) |
| Posljedica neuspjeha | Iznenadno curenje rupice; procesna kontaminacija | Postupno; otkriti mjerenjem debljine |
Stvarnost proizvodnje i troškova
Legura tantal-volframa među najskupljim je inženjerskim materijalima koji se koriste u kemijskoj opremi. Cijena sirovina je 30-50 puta veća od PTFE-a po kilogramu. Izrada zahtijeva posebno zavarivanje u inertnoj atmosferi visoke-čistoće, često u uvjetima čiste sobe kako bi se spriječilo površinsko onečišćenje koje bi moglo izazvati koroziju. Zavarivači moraju imati poseban certifikat za zavarivanje vatrostalnih metala. Nerazorno ispitivanje svakog zavara je obavezno.
Trošak proizvedenog izmjenjivača topline je 10-20 puta veći od PTFE ekvivalenta za istu toplinsku snagu. Ovaj dodatni trošak kupuje izmjenjivač topline koji je kompaktan-zahvaljujući tantalovoj toplinskoj vodljivosti od 54 W/m·K-ali koji još uvijek sporo korodira i nosi rizik od lokalnog napada.
PTFE izmjenjivači topline za isti rad veći su-3-4 puta od površine - ali koštaju samo djelić više i nemaju rizik od korozije. Tamo gdje prostor za ugradnju može primiti veći otisak, ekonomski izbor je nedvosmislen.
Rizik od kontaminacije procesa
Korozija tantala oslobađa ione tantala u otopinu za jetkanje. Za poluvodiče i visoko{1}}precizne aplikacije za završnu obradu metala, kontaminacija metalnim ionima na razinama-po-milijardi može utjecati na kvalitetu procesa. Brzina otapanja tantala od 0,01 mm/godina znači kontinuirani izvor kontaminacije tantalom-niske razine.
PTFE ne oslobađa metalne ione. Ne sadrži metale. Otopina za jetkanje ostaje bez metalne kontaminacije -izmjenjivača- topline tijekom cijelog vijeka trajanja opreme. Za procese-osjetljive na kontaminaciju, ovo je odlučujuća prednost neovisna o cijeni.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline otporni su na miješane HNO₃-HF kisele otopine za nagrizanje na 80 stupnjeva, dok legura tantala-volframa polako korodira kroz otapanje pasivnog filma i nosi rizik od lokalnog galvanskog napada. Materijalni trošak tantal-volframa je 30-50 puta veći od PTFE-a; trošak proizvedene opreme je 10-20 puta veći.
PTFE zahtijeva 3-4 puta veću površinu za ekvivalentno grijanje. Gdje je dostupan prostor za ugradnju, PTFE osigurava nižu cijenu, nulti rizik od korozije i nema kontaminacije metalnim ionima. Tantal-volfram je rezerviran za primjene gdje prostorna ograničenja ili mehanički zahtjevi onemogućuju veći PTFE trag.
Inženjerska analiza za izbor materijala izmjenjivača topline za nagrizanje mješovitom kiselinom dostupna je nakon podnošenja koncentracija kiseline, radne temperature, toplinskog opterećenja, dostupnog prostora za ugradnju i osjetljivosti na kontaminaciju metalom.
