钛在铝阳极化中的应用问题——表面工程在线服务网

【摘要】本文拟就钛在铝阳极化中应用的几个问题加以介绍，作者介绍了钛夹具的设计及其钛冷却器应用。
【关键词】工业纯钛阳极氧化钛冷却器
钛的质轻，强度高，耐腐蚀性优异。但在冶炼、加工较困难，价格较贵，过去主要用在军品及部分转移价值高的民品上，部分人对其特性及使用要求缺乏全面了解，在设计、应用钛制品时难免失误，造成不必要的经济损失。笔者因工作关系，接触这方面问题较多，其中在铝阳极化上的应用，问题尢为突出。
一、钛夹具的设计
钛用作电镀夹具，最有价值的莫过于铝阳极氧化。它不具有铝材夹具弹性差因而接触不牢靠，每次用后需退除氧化膜而寿命短的缺点，宜于推广应用。设计钛夹具时应注意的问题是：
1、钛材牌号
化学纯钛虽耐蚀性最好，但机械性能差，无工业应用价值。兼顾耐蚀性与机械性能，最常用的是在纯钛中含有少量铁、碳、氧、氮、氢的工业纯钛，国产牌号为TA1、TA2、TA3，其强度极限依次提高，延伸率依次下降。工业纯钛的供应状态一般为退火状态。
用作氧化挂具，一直或交替处于阳极（后者如交流氧化），工业纯钛的抗蚀性均能达到要求。一般情况下，其弹性已能满足要求。若要求弹性特高，应在选购钛材时特别定购未退火的或选用最常用的钛合金TA7或TC4等。
2、截面积
钛的导电性较差，近似于不锈钢。若以铜的导电率为100%，则钛仅为3.1%。工业纯钛在20℃时的电阻率为55.6微欧/厘米m2。为减小夹具上的电压损失及欧姆热，在设计夹具，特别是主杆的截面积时，不能取得太小（建议电流密度不大于2A/mm2）。
3、复合材质的连接
有时考虑到导电性，挂具主杆选用铜材，夹持工件部分选用钛材。应注意铜材与钛材之同是无法焊接的（钛只能与钛熔焊，不能与异金属焊，锡焊结合力亦很差）。只能采用铆接或螺栓压接。连接后，铜材部分必须进行良好的绝缘处理，往往比较困难。采用铜钛复合棒材做挂具主杆，既解决了导电问题，又解决了防腐和钛材焊接问题，是铝阳极化挂具最佳材料选择。
4、机械设计问题
设计夹具时应尽量避免有盲孔，过深的通孔和细深的丝孔。因钛难于攻丝，丝锥中有限切屑沟和钛的严重粘着作用会导致螺纹恶化及丝锥断裂。钛材弯折，必须有较大的弯曲半径，不能要求直角、死角。
二、钛冷却器
铝件硫酸阳极化，特别是硬质氧化时，对溶液要进行降温。比起铅管或铁管包铅，钛显得优越得多，其应用也越来越多，但发现问题也较多。
1、耐蚀性问题
从热力学角度讲，钛很活泼，能从水中置换出氢。钛之所以耐蚀，是因为其表面很易生成氧化膜，几小时内达20埃左右，一个月后达30~40埃，其钝化系数达2.44（铁为0.18、镍为0.37、铬为0.74、铝为0.82），为易钝化金属，一旦钝化膜遭破坏，钛则很易被腐蚀。
在氧化性介质中，钛的耐蚀性良好（王水中也难溶），而在纯还原性介质中，钛的耐蚀性并不理想，如热盐酸、热硫酸、热磷酸、热草酸等，氢氟酸和氟硅酸、氟硼酸等氟化物，会严重腐蚀钛，根本不能采用。
在10~98%的硫酸中，钛的腐蚀率大于1.2毫米/年，随温度升高腐蚀加快。0℃时，钛耐20%硫酸腐蚀；室温下耐5%且溶氧的硫酸；100℃时仅在0.2%的硫酸中保持钝态。当硫酸中含有高价铁高介铜、铬酸根、二氧化锰、硝酸、氯气时，钛的耐蚀性即大大提高，对硫酸耐蚀性好的钛合金为Ti-32Mo-2Nb。
钛能耐冷却器中通入的冷水或氟里昂腐蚀，而接触硫酸液的一面，对于液温低于0℃的硬质氧化，耐蚀性尚好，对液温较高的普通装饰性氧化或硬质氧化，则耐蚀性不令人满意。建议采用下述措施：
（1）必须在配制硫酸氧化液时，待液温冷却至室温后再放入冷却器，否则热硫酸会迅速破坏钛表面自然形成的钝化膜。
（2）在放入溶液后即将冷却器接为阳极，阴极用铅板，以18~24伏直流电压人为氧化数小时，以增厚氧化膜。曾有报导，在5~10%硫酸铵溶液中用25伏直流电压对钛阳极处理72小时，氧化膜厚度可由几十埃增至3000~5000埃（在30%硝酸中外加1.28伏直流电压进行阳极氧化也很有效果）。
（3）平时使用时可串接一电阻丝将冷却器与阳极相接，在处理工件时，施加阳极保护。可见报导有：对60℃、40%硫酸，阳极保护电流大于0.3MA/Cm2，外加电压+2.1V，维持钝态电流0.5~1.0MA/CM2，钛的腐蚀率降低了1100倍，仅0.005毫米/年。将钛冷却器与石墨。18~8不锈钢等电位比钛更正的金属接触，也能实现阳极保护。若为交流氧化，应另配小型直流电源及阴极铅板，进行阳极保护。
（4）对溶液采用空气搅拌，不断输入氧化性物质氧气，也有利于钛的钝化。
2、蛇管式换成热器的设计问题
（1）钛材
宜用工业纯钛TA1或TA2，不宜用一般钛合金。Ti-32M。-2Nb耐腐蚀性良好，但价格太贵，供货也困难。
（2）壁厚与管径
钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低，其中含有杂质时，导热系数还将下降。工业纯钛在25℃时导热系数为0.41卡/厘米·秒·C（铜为0.94铁为0.21）。因此制作换热器的钛管壁厚不过大，管径不过粗，以便在同等造价下增加换热面积。建议采用外径φ20、φ32、φ38等，壁厚1.5~2.5左右钛管（过薄，强度无问题，但考虑耐腐性，厚度不宜小于是1.2）。
（3）弯曲半径
钛的回弹显著，远比钢大，是不锈钢冷成型时的2~3倍。弯管时宜冷序加工，不宜加热弯曲，否则材料易脆化。冷弯成型时，其弯曲半公式至少应为管径的2.5倍以上，不可设计过小更不能是死角。
（4）焊接问题
由于钛的焊接处晶粒变应用于，有较大的残余应力，因而焊接处的耐蚀力会下降；若钛材中铁杂质含量高，在焊接处会发生选择性腐蚀；焊接处脆性大，钛对缺口敏感性较高。因此，冷却器应尽量要求减少焊接点，且要求焊缝尽量平滑。
在使用过程中，若钛材渗氢量大，达600PPM以上，则可焊性很差，损坏后的冷却器很难焊接修复。
3、管壳式换热器
有的大型氧化槽或连续氧化线采用在贮液槽中设列管式大型换热器连续通液冷却方式。钛质列管式

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	等级：功行圆满文章：171 积分：542 注册：2007-10-24	钛在铝阳极化中的应用问题【摘要】本文拟就钛在铝阳极化中应用的几个问题加以介绍，作者介绍了钛夹具的设计及其钛冷却器应用。【关键词】工业纯钛阳极氧化钛冷却器钛的质轻，强度高，耐腐蚀性优异。但在冶炼、加工较困难，价格较贵，过去主要用在军品及部分转移价值高的民品上，部分人对其特性及使用要求缺乏全面了解，在设计、应用钛制品时难免失误，造成不必要的经济损失。笔者因工作关系，接触这方面问题较多，其中在铝阳极化上的应用，问题尢为突出。一、钛夹具的设计钛用作电镀夹具，最有价值的莫过于铝阳极氧化。它不具有铝材夹具弹性差因而接触不牢靠，每次用后需退除氧化膜而寿命短的缺点，宜于推广应用。设计钛夹具时应注意的问题是： 1、钛材牌号化学纯钛虽耐蚀性最好，但机械性能差，无工业应用价值。兼顾耐蚀性与机械性能，最常用的是在纯钛中含有少量铁、碳、氧、氮、氢的工业纯钛，国产牌号为TA1、TA2、TA3，其强度极限依次提高，延伸率依次下降。工业纯钛的供应状态一般为退火状态。用作氧化挂具，一直或交替处于阳极（后者如交流氧化），工业纯钛的抗蚀性均能达到要求。一般情况下，其弹性已能满足要求。若要求弹性特高，应在选购钛材时特别定购未退火的或选用最常用的钛合金TA7或TC4等。 2、截面积钛的导电性较差，近似于不锈钢。若以铜的导电率为100%，则钛仅为3.1%。工业纯钛在20℃时的电阻率为55.6微欧/厘米m2。为减小夹具上的电压损失及欧姆热，在设计夹具，特别是主杆的截面积时，不能取得太小（建议电流密度不大于2A/mm2）。 3、复合材质的连接有时考虑到导电性，挂具主杆选用铜材，夹持工件部分选用钛材。应注意铜材与钛材之同是无法焊接的（钛只能与钛熔焊，不能与异金属焊，锡焊结合力亦很差）。只能采用铆接或螺栓压接。连接后，铜材部分必须进行良好的绝缘处理，往往比较困难。采用铜钛复合棒材做挂具主杆，既解决了导电问题，又解决了防腐和钛材焊接问题，是铝阳极化挂具最佳材料选择。 4、机械设计问题设计夹具时应尽量避免有盲孔，过深的通孔和细深的丝孔。因钛难于攻丝，丝锥中有限切屑沟和钛的严重粘着作用会导致螺纹恶化及丝锥断裂。钛材弯折，必须有较大的弯曲半径，不能要求直角、死角。二、钛冷却器铝件硫酸阳极化，特别是硬质氧化时，对溶液要进行降温。比起铅管或铁管包铅，钛显得优越得多，其应用也越来越多，但发现问题也较多。 1、耐蚀性问题从热力学角度讲，钛很活泼，能从水中置换出氢。钛之所以耐蚀，是因为其表面很易生成氧化膜，几小时内达20埃左右，一个月后达30~40埃，其钝化系数达2.44（铁为0.18、镍为0.37、铬为0.74、铝为0.82），为易钝化金属，一旦钝化膜遭破坏，钛则很易被腐蚀。在氧化性介质中，钛的耐蚀性良好（王水中也难溶），而在纯还原性介质中，钛的耐蚀性并不理想，如热盐酸、热硫酸、热磷酸、热草酸等，氢氟酸和氟硅酸、氟硼酸等氟化物，会严重腐蚀钛，根本不能采用。在10~98%的硫酸中，钛的腐蚀率大于1.2毫米/年，随温度升高腐蚀加快。0℃时，钛耐20%硫酸腐蚀；室温下耐5%且溶氧的硫酸；100℃时仅在0.2%的硫酸中保持钝态。当硫酸中含有高价铁高介铜、铬酸根、二氧化锰、硝酸、氯气时，钛的耐蚀性即大大提高，对硫酸耐蚀性好的钛合金为Ti-32Mo-2Nb。钛能耐冷却器中通入的冷水或氟里昂腐蚀，而接触硫酸液的一面，对于液温低于0℃的硬质氧化，耐蚀性尚好，对液温较高的普通装饰性氧化或硬质氧化，则耐蚀性不令人满意。建议采用下述措施：（1）必须在配制硫酸氧化液时，待液温冷却至室温后再放入冷却器，否则热硫酸会迅速破坏钛表面自然形成的钝化膜。（2）在放入溶液后即将冷却器接为阳极，阴极用铅板，以18~24伏直流电压人为氧化数小时，以增厚氧化膜。曾有报导，在5~10%硫酸铵溶液中用25伏直流电压对钛阳极处理72小时，氧化膜厚度可由几十埃增至3000~5000埃（在30%硝酸中外加1.28伏直流电压进行阳极氧化也很有效果）。（3）平时使用时可串接一电阻丝将冷却器与阳极相接，在处理工件时，施加阳极保护。可见报导有：对60℃、40%硫酸，阳极保护电流大于0.3MA/Cm2，外加电压+2.1V，维持钝态电流0.5~1.0MA/CM2，钛的腐蚀率降低了1100倍，仅0.005毫米/年。将钛冷却器与石墨。18~8不锈钢等电位比钛更正的金属接触，也能实现阳极保护。若为交流氧化，应另配小型直流电源及阴极铅板，进行阳极保护。（4）对溶液采用空气搅拌，不断输入氧化性物质氧气，也有利于钛的钝化。 2、蛇管式换成热器的设计问题（1）钛材宜用工业纯钛TA1或TA2，不宜用一般钛合金。Ti-32M。-2Nb耐腐蚀性良好，但价格太贵，供货也困难。（2）壁厚与管径钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低，其中含有杂质时，导热系数还将下降。工业纯钛在25℃时导热系数为0.41卡/厘米·秒·C（铜为0.94铁为0.21）。因此制作换热器的钛管壁厚不过大，管径不过粗，以便在同等造价下增加换热面积。建议采用外径φ20、φ32、φ38等，壁厚1.5~2.5左右钛管（过薄，强度无问题，但考虑耐腐性，厚度不宜小于是1.2）。（3）弯曲半径钛的回弹显著，远比钢大，是不锈钢冷成型时的2~3倍。弯管时宜冷序加工，不宜加热弯曲，否则材料易脆化。冷弯成型时，其弯曲半公式至少应为管径的2.5倍以上，不可设计过小更不能是死角。（4）焊接问题由于钛的焊接处晶粒变应用于，有较大的残余应力，因而焊接处的耐蚀力会下降；若钛材中铁杂质含量高，在焊接处会发生选择性腐蚀；焊接处脆性大，钛对缺口敏感性较高。因此，冷却器应尽量要求减少焊接点，且要求焊缝尽量平滑。在使用过程中，若钛材渗氢量大，达600PPM以上，则可焊性很差，损坏后的冷却器很难焊接修复。 3、管壳式换热器有的大型氧化槽或连续氧化线采用在贮液槽中设列管式大型换热器连续通液冷却方式。钛质列管式 http://www.cdxgt.com 收藏本页更多相关内容

2007-03-21

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