Para tanques de cromado que funcionan a 60 grados con alta densidad de corriente, ¿qué acabado de superficie de titanio (decapado, pulido o arenado) resiste mejor el ataque galvánico?

El tanque de cromado proporciona un entorno electroquímico muy agresivo para los equipos de calefacción sumergidos. El baño normalmente comprende 250-400 g/L de ácido crómico (CrO₃) con una proporción de catalizador de sulfato de 100:1, funciona a 55-65 grados y está sujeto a altas densidades de corriente (20-60 A/dm²) durante los procesos de enchapado. Los tubos calefactores de titanio se utilizan a menudo en este servicio debido a su resistencia al ácido crómico oxidante. Sin embargo, puede ocurrir un modo particular de falla, el ataque galvánico, cuando la superficie de titanio está expuesta a corrientes parásitas del rectificador de revestimiento o cuando forma celdas electroquímicas locales con otros componentes metálicos. El ataque galvánico a los calentadores de titanio es particularmente sensible al acabado superficial utilizado durante la fabricación, a diferencia de la corrosión homogénea o las picaduras. Los acabados decapados, pulidos y arenados confieren propiedades superficiales de óxido muy diversas, estabilidad pasiva de la película y actividad electroquímica en soluciones de ácido crómico. Este artículo analiza la resistencia a la corrosión galvánica de cada tratamiento de superficie de titanio en circunstancias de cromado y determina qué acabado ofrece la vida útil más larga cuando se requiere que los calentadores funcionen con corrientes de cromado de alta densidad.

Mecanismo galvánico en medios de ácido crómico
Se describen dos mecanismos de ataque galvánico de tubos calefactores de titanio en tanques cromados. El primero consiste en el contacto eléctrico directo entre el titanio y un metal más catódico, normalmente los ánodos de plomo o de aleación de plomo-utilizados en el cromado, o la pared del tanque de acero inoxidable. Cuando estos metales diferentes se acoplan eléctricamente mediante el electrolito del baño, el titanio se convierte en el ánodo y se disuelve a un ritmo acelerado. El segundo mecanismo es causado por corrientes parásitas del rectificador de revestimiento. El cromado utiliza cátodos de piezas de trabajo y ánodos de plomo. Cualquier superficie conductora no aislada en el tanque puede captar corriente parásita, lo que resulta en una disolución anódica (si sirve como ánodo) o desprendimiento de hidrógeno y posible fragilización (si actúa como cátodo). en el ácido crómico, el titanio no está en la misma posición de la serie galvánica que en medios neutros o reductores. El titanio tiene una película pasiva muy estable y se comporta como un metal noble (como el platino en algunas mediciones electroquímicas) al oxidar ácido crómico (concentración de Cr6+ superior a 200 g/L, potencial redox superior a +1.2 V frente a SHE). Sin embargo, esta es una característica noble que hace que el titanio sea catódico para la mayoría de los demás materiales, incluidos el plomo, el acero inoxidable y el acero al carbono. Al entrar en contacto con estos metales, el titanio queda protegido y el metal en contacto sufre corrosión - al contrario del agua salada.

El problema surge para los calentadores de titanio cuando la variación local en el espesor o la composición del óxido de la superficie crea células galvánicas entre diferentes áreas del mismo tubo de titanio. Por ejemplo, la superficie arenada tiene una capa de óxido mecánicamente dañada no-uniforme con áreas de metal tenso y partículas abrasivas incrustadas. En cambio, una lámina de TiO2 lisa y químicamente uniforme representa una superficie pulida. En presencia de corrientes parásitas o gradientes de potencial localizados, las regiones menos protegidas de una superficie no homogénea pueden corroerse preferentemente. El titanio en masa es perfectamente pasivo, pero esta corrosión auto-galvánica puede perforar la pared de un calentador en un servicio de cromado en cuestión de meses.

Características de estabilidad del óxido y acabado superficial
Las superficies de titanio decapado se obtienen sumergiéndolas en una solución ácida mixta, generalmente 10-20% HNO{sub 3}+1-3% HF a 30-50 grados durante 2-10 min. El decapado elimina la capa alfa (capa superficial contaminada con oxígeno formada durante el trabajo en caliente o el recocido) y da como resultado una superficie gris mate grabada uniformemente con rugosidad controlada (Ra 0,8-1,6 µm). Una superficie de titanio adecuadamente decapada tiene una fina capa de óxido (5-10 nm) que es estequiométrica de TiO2 y está libre de impurezas incrustadas. Las superficies decapadas tienen un potencial de circuito abierto constante de +0.8 a +1.1 V frente a SCE y una densidad de corriente pasiva de<0.01 mA/cm2 for chrome plating service.

Las superficies de titanio pulidas se desgastan mecánicamente con abrasivos progresivamente más finos hasta obtener un acabado de espejo (Ra 0,1–0,4 µm). El pulido produce una superficie muy lisa con una capa de óxido densa y libre de defectos. Sin embargo, el pulido mecánico puede inducir tensiones de compresión residuales y puede incrustar partículas abrasivas sub-micrónicas (alúmina o carburo de silicio) en la superficie. El titanio pulido en ácido crómico exhibe los potenciales de circuito abierto-más nobles (+1.0 a +1.2 V frente a SCE) y las densidades de corriente pasiva más bajas (por debajo de 0,005 mA/cm²). El titanio pulido es muy noble, por lo que constituye un excelente cátodo cuando se combina con otros metales. Sin embargo, la homogeneidad de la superficie del tubo pulido significa que la corrosión auto-galvánica entre varias partes del tubo es baja.

Las superficies de titanio pulidas con chorro de arena se forman impactando un medio abrasivo (óxido de aluminio, carburo de silicio o perlas de vidrio) a alta velocidad. El chorro de arena da como resultado una superficie rugosa y-endurecida (Ra 2,0-5,0 µm) con fragmentos abrasivos incrustados, superficies metálicas rotas y una capa de óxido altamente deformada. El óxido sobre el titanio arenado no es una película pasiva continua sino una mezcla de TiO_2, subóxidos (TiO, Ti_2O_3) y titanio desnudo en el fondo de los cráteres de impacto. Los potenciales de circuito abierto de las superficies arenadas en ácido crómico varían mucho (-0,2 a +0.6 V frente a SCE) dependiendo del grado de deformación y del medio atrapado en la superficie. La densidad de corriente pasiva es a menudo de 10 a 100 veces mayor que la de las superficies decapadas o pulidas, lo que indica que se produce una disolución activa en puntos donde la película de óxido no está completa.

Mediciones de densidad de corriente galvánica
Las pruebas electroquímicas controladas por amperímetro de resistencia cero (ZRA) permiten la comparación cuantitativa de tendencias galvánicas entre diferentes acabados de superficie y con otros metales. Las corrientes galvánicas se midieron entre muestras de titanio (área de 10 cm²) y otros materiales comunes de tanques en circunstancias de baño de cromado (250 g/L CrO₃, 2,5 g/L H₂SO₄, 60 grados):

El titanio decapado acoplado a ánodos de plomo (el contacto de metales diferentes más común en los tanques de cromo) exhibe una densidad de corriente galvánica de 0,02 mA/cm² en la superficie del titanio, insignificante y poco probable que induzca una pérdida notable de titanio durante un período de cinco años. El titanio pulido unido a plomo da 0,01 mA/cm2, también poco. El titanio arenado unido a plomo, siendo el titanio el ánodo, es de 0,25 mA/cm2. La densidad de corriente se traduce en una tasa de disolución del titanio de aproximadamente 0,15 mm por año, lo que es suficiente para adelgazar la pared de un tubo de 1,65 mm hasta perforarlo en 5 a 7 años.

Se mide una corriente galvánica de 0,03 mA/cm2 cuando se conecta titanio decapado a las paredes del tanque de acero inoxidable (tipo 316L). El titanio es ligeramente catódico (protegido) y el acero inoxidable anódico. El titanio pulido dio 0,02 mA/cm2. Un titanio pulido con chorro de arena proporciona 0,08 mA/cm2; el titanio es un ánodo en los puntos activos locales y se produce un ataque de tipo picadura-.

La condición galvánica más grave de los calentadores de titanio es causada por corrientes parásitas del rectificador. Cuando se conecta accidentalmente, un cátodo auxiliar del calentador (por ejemplo, un camino a tierra que completa un circuito hasta el terminal negativo del rectificador) provoca desprendimiento de hidrógeno en la superficie de titanio. La evolución de hidrógeno en el titanio decapado comienza aproximadamente a −0,6 V frente a SCE y es fuerte a potenciales inferiores a −0,8 V. El hidrógeno absorbido provoca fragilidad, pero no la penetración inmediata en la pared. La evolución del hidrógeno comienza con menos potenciales negativos (−0,4 V frente a SCE) para el titanio arenado y se acompaña de descamación de la capa superficial deformada, exponiendo el titanio fresco que absorbe el hidrógeno rápidamente. Para el cátodo-polarizado, las capas de hidruro se forman en 100 horas en superficies arenadas y luego se agrietan y se astillan.

Matriz de selección de acabado superficial de calentadores cromados
La siguiente tabla es una guía de selección completa basada en la configuración del tanque, el método de conexión a tierra del rectificador y la vida útil proyectada del calentador.

Configuración del tanque y condiciones de funcionamiento Acabado de superficie de titanio recomendado Espesor de pared (mm) Justificación y vida útil esperada
Instalación de calentador aislado Tierra separada para rectificador Sin conexión eléctrica directa a ánodos/cátodos Decapado (normal) 1,2-1,65 mm La superficie decapada produce una película pasiva estable con poca actividad autogalvánica. La vida útil suele ser de 5 a 8 años.
Calentador con bridas al tanque de acero inoxidable, conexión a tierra común con el rectificador de revestimiento. Pulido de 1,5 a 1,65 mm. La superficie más lisa reduce el acoplamiento galvánico al acero inoxidable; Una mayor nobleza reduce la vida útil de . 6-10 años de la corriente perdida.
Calentador en la misma barra colectora que los ánodos de plomo (conectados eléctricamente) Pulido 1,65-2,0 mm La superficie pulida es un cátodo noble que protege el calentador a expensas de la vida útil del ánodo; Adecuado si se prevé un consumo de ánodo.
Deficiente tanque de control de corriente parásita Contacto frecuente entre el calentador y las piezas de trabajo Decapado + aislamiento eléctrico (casquillos de PTFE) 1,65 mm El acabado superficial es menos necesario con un aislamiento adecuado; el encurtido es económico; reemplácelo si los rayones revelan metal desnudo.
Tanque de alta agitación con niebla de ácido crómico abrasivo (potencial de erosión de partículas) Arenado (deliberado) 2,0 mm o más Acepta una vida galvánica reducida (3-5 años) para la adherencia del recubrimiento. El chorro de arena está justificado únicamente para el agarre mecánico de los revestimientos.
Modernización del tanque con condiciones de conexión a tierra desconocidas La superficie pulida de 1,65 mm ofrece el mayor margen contra el ataque galvánico de corrientes parásitas desconocidas. Compruébelo después de seis meses.
Implicaciones prácticas para la especificación del calentador
La calidad de la superficie de un calentador de inmersión de titanio no es sólo una consideración estética sino un factor de compatibilidad galvánica con el entorno del tanque de cromado. Los acabados decapados, comunes en la industria para la mayoría de los componentes de titanio, son adecuados para instalaciones de calentadores que estén adecuadamente conectados a tierra y separados eléctricamente, y en las que la única conexión galvánica sea mediante contacto pasivo con el baño. Sin embargo, para calentadores conectados a tierra con rectificadores chapados, para bridas de montaje en contacto con paredes de tanques de acero inoxidable o cuando se temen corrientes parásitas, un acabado pulido proporciona una mejora mensurable en la resistencia galvánica. La mayor nobleza y la aparente uniformidad del titanio pulido reducen la fuerza impulsora del acoplamiento galvánico y el número de sitios activos para el ataque localizado.

Evite los acabados con chorro de arena para el servicio de cromado a menos que se requiera específicamente para la adhesión del recubrimiento (por ejemplo, recubrimientos de PTFE para reducir la resistencia al arrastre del ácido crómico). El daño mecánico y los abrasivos atrapados dan como resultado una superficie electroquímicamente activa no-uniforme que soporta corrientes galvánicas entre 5 y 20 veces más que las superficies decapadas o pulidas. Los calentadores de titanio arenado en baños de cromo han fallado por perforación galvánica en tan solo 18 meses, en comparación con los 7 a 10 años de los calentadores pulidos en el mismo servicio.

Conclusión para los ingenieros de cromado
En el caso del pedido de tubos calefactores de titanio para tanques de cromado que funcionan a 60 grados y altas densidades de corriente, cuando no se puede garantizar el aislamiento eléctrico del circuito de cromado, la mejor calidad de superficie a especificar es pulida (acabado de espejo, Ra menor o igual a 0,4 µm). Se encuentran los potenciales de circuito abierto más nobles de las superficies pulidas, las corrientes pasivas más bajas y la mejor resistencia a la desintegración provocada por corrientes parásitas. El acabado decapado (Ra 0,8-1,6 µm) ofrece una vida útil igual a un costo reducido para sistemas de calentadores completamente aislados con rutas de tierra dedicadas y sin contacto con ánodos o paredes del tanque. Los acabados arenados no se recomiendan para ninguna aplicación de cromado debido a su alta actividad galvánica y sus rápidas tasas de falla. Los calentadores de titanio comerciales estándar generalmente se suministran con un acabado variable (recocido en fábrica o estirado) que puede no ser adecuado para el servicio de cromado. Los ingenieros deben mencionar el acabado de la superficie específicamente en los documentos de adquisición. Una especificación de superficie pulida agrega entre un 10% y un 15% al ​​costo del calentador, pero proporciona una extensión de entre un 50% y un 100% en la vida útil. Este es uno de los retornos de inversión más favorables posibles en la selección de equipos de baño de cromo.