Compensación-por el acabado de superficie de titanio en el servicio de cloruro férrico
Las soluciones de grabado de cloruro férrico (FeCl 3 ) son altamente oxidantes y agresivamente corrosivas para la mayoría de los metales. El cloruro férrico típico es de 42 grados Bé (aproximadamente 40% FeCl 3 ). Se seleccionó titanio debido a la capa pasiva de TiO₂, que lo hace resistente al FeCl₃. Sin embargo, las picaduras son la rotura local del recubrimiento pasivo, comúnmente en defectos superficiales, inclusiones o grietas de microescala. El acabado superficial, medido por la rugosidad media Ra, tiene una influencia directa sobre la cantidad y el tamaño de los posibles puntos de inicio de picaduras. Una superficie más lisa (baja Ra) elimina las fisuras microscópicas y disminuye el número de sitios para la concentración de iones cloruro. Una superficie muy lisa (Ra < 0,2 µm) requiere electropulido o pulido mecánico y añade costes. El estudio actual determinó la correlación entre el valor de Ra y el tiempo de inducción de picaduras en FeCl3 Bé de 42 grados a 50 grados y estableció el acabado superficial que proporcionó la duración máxima antes de la iniciación de las picaduras.

Impactos en la integridad mecánica: inicio de picaduras y rugosidad de la superficie
Las picaduras en una solución de cloruro férrico sobre titanio comienzan en los lugares donde la película pasiva es más delgada o donde las fisuras permiten la acumulación de cloruro. En una superficie rugosa (Ra > 1,0 µm), los valles son como microfisuras. Estos canales suelen tener entre 5 y 20 µm de ancho y la profundidad es del mismo orden que el valor Ra. En estos valles se acumulan iones cloruro debido a limitaciones de difusión y el pH local disminuye debido a la hidrólisis de los cloruros metálicos que inicia la picadura. En una superficie lisa (Ra < 0,4 µm), los valles son poco profundos (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Rendimiento térmico: efecto del acabado superficial y la transferencia de calor
El acabado superficial también tiene un efecto sobre el transporte de calor, pero es secundario a la resistencia a las picaduras. El área superficial real de una superficie más rugosa es mayor (de 2 a 5 veces el área proyectada para Ra=1.5 µm, generalmente) lo que, en teoría, mejora la transferencia de calor al aumentar el área de contacto con la solución de cloruro férrico. De hecho, sin embargo, el espesor de la capa límite convectiva (generalmente 50-200 µm) es significativamente mayor que las características de rugosidad y, por lo tanto, el coeficiente de transferencia de calor es casi independiente de Ra para valores inferiores a 5 µm. El electropulido (Ra=0.1μm) reduce el área de la superficie real en aproximadamente un 5% en comparación con una superficie pulida mecánicamente, lo que resulta en un mínimo (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Síntesis de la compensación-off: valor Ra versus tiempo de inducción de picadura
Acabado superficial Valor Ra (μm) Método E_pit (V vs. Ag/AgCl) Tiempo de inducción hasta la primera picadura (horas, 42 grados Bé FeCl3, 50 grados) Factor de costo relativo
Tal como-estirado (acabado de fábrica) 1,2 – 1,8 Ninguno +0.65 V 20 – 40 horas 1,0× Decapado (descalcificado con ácido) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% inmersión HF +0.70 V 50 – 100 horas 1,1× Pulido mecánicamente (grano 320) 0,4 – 0,6 Pulido de correa o rueda +0.80 V 300 – 500 hrs 1,5×
Pulido mecánico (grano 600) 0,2 – 0,3 Pulido con abrasivo fino+0.88 V 2,0× 1,000 - 2,000 horas
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5000 horas. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 meses de operación continua) mientras que-las superficies dibujadas se pican en 1 o 2 días. La mejora crece exponencialmente a medida que Ra disminuye.

Ingeniería después del acabado: pasivación y tratamiento pos-pulido
Para obtener una mejor resistencia a las picaduras, una superficie electropulida debe ir seguida de un paso de pasivación con ácido nítrico (20 % HNO 3 a 50 grados durante 30 minutos). Este tratamiento produce una capa de TiO2 homogénea y libre de defectos-que es más gruesa y más estable que la película pasiva natural. El titanio electropulido pasivado en servicio en cloruro férrico no muestra picaduras después de 10.000 horas de pruebas de laboratorio. Si el electropulido es demasiado costoso para la aplicación, entonces el pulido mecánico de grano 600 (Ra ≈ 0,25 µm) y la pasivación darán un tiempo de inducción de 1000 a 2000 horas, lo cual es adecuado para muchos procedimientos de grabado por lotes en los que el calentador se retira y se limpia entre lotes. El truco consiste en evitar los contaminantes de la superficie (partículas de hierro, grasa o abrasivos incrustados) que pueden servir como sitios de inicio de picaduras.

Conclusión: El electropulido (Ra menor o igual a 0,15 μm) ofrece el mayor tiempo de inducción
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 meses. Las superficies pulidas mecánicamente (Ra=0.2–0,6 µm) conducen a tiempos de inducción intermedios de 300 a 2000 horas, apropiados para aplicaciones menos exigentes. El electropulido no tiene una penalización térmica importante. Especificar calentadores para grabado con cloruro férrico con acabado superficial electropulido verificado Ra menor o igual a 0,15 μm y pasivación en ácido nítrico al 20 % después del pulido. Pero el mayor costo de acabado se compensa al evitar problemas relacionados con las picaduras-y una vida útil más larga. Elija el acabado superficial adecuado según el tiempo de funcionamiento continuo previsto entre intervalos de mantenimiento. Para cualquier aplicación superior a 1.000 horas se sugiere el electropulido.