Elektropolierte und mechanisch polierte Rohre, Teil 1

Dieser zweiteilige Artikel fasst die wichtigen Punkte des Elektropolierpapiers zusammen und gibt einen Ausblick auf Tverbergs Präsentation auf der InterPhex später in diesem Monat. Heute untersuchen wir in Teil 1 die Bedeutung des Elektropolierens von Edelstahlrohren, Elektropoliertechniken und Analysemethoden. In Teil 2 präsentieren wir eine Vorschau auf die neuesten Forschungsergebnisse zur Passivierung mechanisch polierter Edelstahlrohre.

Teil 1: Elektropolierte EdelstahlrohreDie Pharma- und Halbleiterindustrie benötigt große Mengen an innen elektropolierten Edelstahlrohren. In beiden Fällen ist Edelstahl vom Typ 316L die Legierung der Wahl. Gelegentlich werden rostfreie Legierungen mit 6 Prozent Molybdän verwendet; Die Legierungen C-22 und C-276 sind für Halbleiterhersteller wichtig, insbesondere wenn Salzsäuregas als Ätzmittel verwendet wird.

Elektropolierte Rohre werden aus folgenden Gründen für viele Anwendungen eingesetzt:

Einfache Charakterisierung von Oberflächendefekten, die sonst im Labyrinth der Oberflächenanomalien häufigerer Materialien verborgen bleiben würden.

Die chemische Trägheit der Passivschicht resultiert daraus, dass sowohl Chrom als auch Eisen im Oxidationszustand 3+ und nicht als nullwertige Metalle vorliegen. Mechanisch polierte Oberflächen weisen auch nach langer Passivierung mit heißer Salpetersäure noch einen hohen Anteil an freiem Eisen im Film auf. Allein dieser Faktor verschafft elektropolierten Oberflächen einen großen Vorteil in der Langzeitstabilität.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Oberflächen ist das Vorhandensein (bei mechanisch polierten Oberflächen) bzw. das Fehlen (bei elektropolierten Oberflächen) von Legierungselementen. Mechanisch polierte Oberflächen behalten die Grundlegierungszusammensetzung bei nur geringfügiger Abreicherung der anderen Legierungselemente, während elektropolierte Oberflächen im Wesentlichen nur Chrom und Eisen enthalten.

Herstellung elektropolierter Schläuche Um eine glatte elektropolierte Oberfläche zu erzeugen, muss mit einer glatten Oberfläche begonnen werden. Das bedeutet, mit sehr hochwertigem Stahl zu beginnen, der für beste Schweißbarkeit hergestellt wird. Beim Schmelzen müssen Schwefel, Silizium, Mangan und desoxidierende Elemente (z. B. Al, Ti, Ca, Mg) und Deltaferrit kontrolliert werden. Das Band muss wärmebehandelt werden, um alle zweiten Phasen aufzulösen, die beim Erstarren der Schmelze entstehen oder sich bei der Hochtemperaturverarbeitung bilden können.

Ebenso ist die Art der Bandbearbeitung von größter Bedeutung. In ASTM A-480 sind drei kommerziell verfügbare Oberflächenbeschaffenheiten für kaltgewalztes Band spezifiziert: 2D (luftgeglüht, gebeizt und mit stumpfen Walzen veredelt); 2B (luftgeglüht, gebeizt und mit polierten Walzen fertiggestellt); und 2BA (Schutzatmosphäre blankgeglüht und mit polierten Walzen bearbeitet).

Rollformen, Schweißen und Wulstkonditionierung müssen sorgfältig kontrolliert werden, um ein möglichst rundes Rohr zu erzeugen. Selbst der kleinste Schweißnahtunterschnitt oder die geringste Nivellierungslinie der Schweißraupe ist nach dem Polieren sichtbar. Ebenso sind nach dem Elektropolieren Rollformspuren, Schweißnahtabrollmuster und mechanische Beschädigungen der Oberflächen erkennbar.

Nach der Wärmebehandlung muss der Innendurchmesser des Rohrs mechanisch poliert werden, um Oberflächenfehler zu entfernen, die durch das Band und den Rohrformungsprozess entstehen. In diesem Schritt wird die Auswahl der Bandoberfläche entscheidend. Wenn die Unebenheit zu tief ist, muss mehr Metall von der Innenfläche des Rohrs entfernt werden, um ein glattes Rohr zu erzeugen. Wenn die Rauheit gering oder nicht vorhanden ist, muss weniger Metall entfernt werden. Die besten Elektropolierergebnisse, im Allgemeinen im Bereich von 5 Mikrozoll oder glatter, werden mit längsbandpolierten Rohren erzielt. Bei dieser Art des Polierens wird das meiste Metall von der Oberfläche entfernt, normalerweise im Bereich von 0,001 Zoll, wodurch Korngrenzen, Oberflächenfehler und sich bildende Unvollkommenheiten entfernt werden. Durch das Wirbelpolieren wird weniger Material entfernt, es entsteht eine „verschmierte“ Oberfläche und es ergibt sich im Allgemeinen ein höherer Ra (durchschnittliche Oberflächenrauheit) im Bereich von 10 bis 15 Mikrozoll.

ElektropolierenElektropolieren ist einfach eine umgekehrte Galvanisierung. Die Elektropolierlösung wird durch den Innendurchmesser des Rohrs gepumpt, während eine Kathode durch das Rohr gezogen wird. Metall wird bevorzugt an den höchsten Stellen der Oberfläche abgetragen. Der Prozess „will“ die Kathode mit dem aus dem Rohrinneren, der Anode, gelösten Metall zu plattieren. Es ist wichtig, die Elektrochemie zu kontrollieren, um eine Kathodenplattierung zu verhindern und die richtige Wertigkeit für jedes der Ionen beizubehalten.

Beim Elektropolieren entsteht an der Anode bzw. Edelstahloberfläche Sauerstoff und an der Kathodenoberfläche Wasserstoff. Sauerstoff ist eine entscheidende Komponente bei der Schaffung der besonderen Eigenschaften elektropolierter Oberflächen, sowohl um die Tiefe der Passivschicht zu erhöhen als auch um eine echte Passivschicht zu erzeugen.

Das Elektropolieren erfolgt unter einer sogenannten „Jacquet“-Schicht, bei der es sich scheinbar um polymerisiertes Nickelsulfit handelt. Alles, was die Bildung der Jacquet-Schicht verhindert, führt zu einer fehlerhaften elektropolierten Oberfläche. Typischerweise handelt es sich hierbei um ein Ion wie Chlorid oder Nitrat, das die Bildung von Nickelsulfit verhindert. Weitere Störstoffe sind Silikonöle, Fette, Wachse und andere langkettige Kohlenwasserstoffe.

Nach dem Elektropolieren werden die Rohre mit Wasser gespült und anschließend in heißer Salpetersäure weiter passiviert. Diese zusätzliche Passivierung ist notwendig, um etwaiges restliches Nickelsulfit zu entfernen und das Oberflächenverhältnis von Chrom zu Eisen zu verbessern. Nach der Passivierung werden die Röhrchen mit Prozesswasser gespült, in heißes entionisiertes Wasser gelegt, getrocknet und verpackt. Wenn eine Reinraumverpackung erforderlich ist, werden die Röhrchen weiter in entionisiertem Wasser gespült, bis eine bestimmte Leitfähigkeit erreicht ist, und dann vor dem Verpacken mit heißem Stickstoffgas getrocknet.

Die gebräuchlichsten Techniken zur Analyse elektropolierter Oberflächen sind die Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) (auch bekannt als Elektronenspektroskopie für chemische Analysen). AES nutzt oberflächennah erzeugte Elektronen, um für jedes Element ein spezifisches Signal zu erzeugen, und liefert ein Elementprofil als Funktion der Tiefe. XPS verwendet weiche Röntgenstrahlen, die Bindungsenergiespektren liefern, die eine Differenzierung der Molekülspezies anhand der Oxidationszahl ermöglichen.

Oberflächenprofil vs. OberflächenerscheinungÄhnliche Oberflächenrauheitswerte bedeuten nicht, dass die Oberflächenerscheinung gleich ist. Heutzutage können die meisten Profilometer eine Reihe verschiedener Oberflächenrauheitswerte anzeigen, darunter Rq (auch RMS genannt), Ra, Rt (maximale Differenz zwischen minimalem Tal und maximalem Gipfel), Rz (durchschnittliche maximale Profilhöhe) und mehrere andere. Diese Ausdrücke werden durch verschiedene Berechnungen abgeleitet, die aus einer einzigen Überquerung der Oberfläche mit einem Diamantstift durchgeführt werden. Innerhalb dieses Polygonzugs wird elektronisch ein Abschnitt ausgewählt, der als „Grenzwert“ bezeichnet wird und auf dem die Berechnungen basieren.

Es ist möglich, eine Kombination verschiedener berechneter Werte, zum Beispiel Ra und Rt, zu verwenden, um eine Oberfläche besser zu beschreiben, aber es gibt keine einzelne Funktion, die zwischen zwei verschiedenen Oberflächen mit demselben Ra-Wert unterscheiden kann. Die ASME veröffentlicht einen Standard, ASME B46.1, der die Bedeutung jeder berechneten Funktion definiert.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Tel.: 262-642-8210.

Herausgegeben von Angelo DePalma

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