เหตุใดท่อทำความร้อนไฟฟ้าแบบเปลือกสแตนเลส 316 ในสารละลายกัดกร่อนเฟอร์ริกคลอไรด์ที่ 45–55 องศาจึงล้มเหลวเนื่องจากการกัดกร่อนตามรอยแยกภายใต้การสะสมของเศษซากภายใน 100 ชั่วโมง ในขณะที่ยังคงเหลืออยู่แบบพาสซีฟในเฟอร์ริกคลอไรด์ที่สะอาดที่ความเข้มข้นเท่ากัน

เฟอริกคลอไรด์ (FeCl3) มักใช้เป็นสารกัดกรดสำหรับแผงวงจรพิมพ์ สำหรับการกัดโลหะด้วยสารเคมี และในการบำบัดน้ำ ท่อความร้อนไฟฟ้าในถังหมุนเวียนเฟอร์ริกคลอไรด์และอุปกรณ์แกะสลักทำงานในช่วง 45-55 องศาเพื่อรักษาอัตราการกัดกรดให้คงที่ ความล้มเหลวในภาคสนามจากโรงงานผลิต PCB เผยให้เห็นรูปแบบที่น่าทึ่งและมีความสำคัญในการปฏิบัติงาน: ปลอกสแตนเลส 316 ล้มเหลวเนื่องจากการกัดกร่อนของรอยแยกอย่างรวดเร็วภายใน 100-200 ชั่วโมง เมื่อเศษต่างๆ (อนุภาคทองแดง สารตกค้างจากแสงสะท้อน ฟิล์มอินทรีย์) สะสมอยู่บนพื้นผิวของปลอก เปลือกที่เหมือนกันในเฟอร์ริกคลอไรด์ที่ผ่านการกรองและสะอาดที่ความเข้มข้นเท่ากัน (40-45 องศาบี, ประมาณ 38-42% FeCl3) จะอยู่ได้ 12-24 เดือนโดยมีการกัดแบบสม่ำเสมอเพียงเล็กน้อยเท่านั้น กลไกความล้มเหลวไม่ใช่ตัวเฟอร์ริกคลอไรด์เอง - 316 มีความต้านทานการกัดกร่อนสม่ำเสมอที่ยอมรับได้ใน FeCl3 ที่สะอาด (0.1–0.3 มม./ปี) อนุภาคจะก่อให้เกิดรอยแยกที่ดักจับและรวมไอออนของเฟอร์ริก โดยไม่รวมออกซิเจน และทำให้เกิดการสูญเสียสายพันธุ์ Fe 3+ ที่เป็นออกซิไดซ์เฉพาะจุดซึ่งรับผิดชอบในการคงสภาพฟิล์มเฉื่อย ภายในรอยแยก Fe3+ จะลดลงเหลือ Fe2+ และการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ของรีดอกซ์จากลำดับ +500 mV ถึง -100 mV เทียบกับ SCE และความเข้มข้นของคลอไรด์จะเพิ่มขึ้นผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิส สภาพแวดล้อมที่ก่อตัวนั้นมีความเป็นมิตรมากกว่าสารละลาย FeCl3 จำนวนมากอย่างมาก โดยโจมตีปลอก 316 ในอัตราเฉพาะที่มากกว่า 5 มม./ปี โดยจะประมาณความเร่งของการกัดกร่อนตามรอยแยกภายใต้เศษซาก FeCl3 และอธิบายบทบาทสำคัญของการออกซิไดซ์ Fe3+ ในการรักษาสภาพเฉื่อย ให้คำแนะนำในการกรองและการทำความสะอาดสำหรับบริการฮีตเตอร์เฟอร์ริกคลอไรด์

316 กลไกการสลายรอยแยกและการสร้างทู่ในเฟอร์ริกคลอไรด์
เฟอริกคลอไรด์เป็นกรดออกซิไดซ์ ศักยภาพมาตรฐานของคู่รีดอกซ์ Fe³⁺/Fe²⁺ คือ +0.77 V เทียบกับ SHE ศักยภาพของวงจรเปิดของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในสารละลาย FeCl3 เข้มข้น (40%, ca. 2.5 M Fe3+) ​​อยู่ที่ +450 ถึง +550 mV เทียบกับ SCE - ซึ่งอยู่ภายในช่วงพาสซีฟที่ดี ความเข้มข้นสูงของ Fe3+ ทำหน้าที่เป็นแคโทดดีโพลาไรเซอร์ ซึ่งช่วยให้ชั้นโครเมียมออกไซด์แบบพาสซีฟสามารถคงอยู่ได้เมื่อมีคลอไรด์สูง (∼230,000 ppm Cl− ใน 40% FeCl3). 316 มีอัตราการกัดกร่อนที่สม่ำเสมอที่ 0.1–0.3 มม./ปี ภายใต้สภาวะเหล่านี้ โดยส่วนใหญ่เกิดจากการละลายทางเคมี และไม่ใช่รูพรุนด้วยไฟฟ้าเคมี

แต่เมื่อเศษชิ้นส่วน (ทองแดง กากอินทรีย์ หรือแม้แต่ฟรอกเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์) วางอยู่บนพื้นผิวของฝัก ก็จะทำให้เกิดรอยแยก ในรอยแยกนี้การแพร่กระจายของ Fe 3+ จากจำนวนมากมีจำกัด การลดลงของ Fe 3+ บนพื้นผิวโลหะ (Fe 3+ + e − → Fe 2+ ) จะใช้ Fe 3+ ในรอยแยก ส่งผลให้ศักยภาพรีดอกซ์ลดลงและความเข้มข้นของ Fe 3+ . เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าประมาณ +200 mV เทียบกับ SCE ฟิล์มแบบพาสซีฟบน 316 จะไม่เสถียรในคลอไรด์สูง นอกจากนี้ สารละลายตามรอยแยกยังผ่านการไฮโดรไลซิสของ Fe2+ และ Cr3+ ทำให้เกิด H+ และลด pH ลงเหลือ 1–2 ผลรวมของศักยภาพรีดอกซ์ต่ำ pH ต่ำ และคลอไรด์ที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่ทำลาย 316 ในอัตรา 20 ถึง 50 เท่าของสารละลายเทกอง

การกัดกร่อนตามรอยแยกเชิงปริมาณภายใต้การสะสมของเศษซากจำลอง
การทดสอบแบบควบคุมดำเนินการกับตัวอย่างของปลอกสแตนเลส 316 (ผนัง 1.5 มม. สารละลายอบอ่อน ขัดเงาด้วยไฟฟ้า) ในสารละลาย FeCl 3 40% (42 องศาบี, pH ประมาณ 0.8) ที่ 50 องศา จำลองเศษสามรูปแบบ: อนุภาคทองแดง (100–300 µm โดยทั่วไปจากการกัด PCB), เกล็ดโฟโตรีซิสต์แห้ง และเม็ดบีด PTFE (การควบคุมเฉื่อย) ตัวอย่างถูกแช่ไว้นานถึง 500 ชั่วโมง และความลึกของการกัดกร่อนของรอยแยกใต้อนุภาคแต่ละประเภทได้รับการประเมินโดยการวัดโปรไฟล์หลังจากกำจัดอนุภาคออก

เศษวัสดุ ประเภทเศษซากระยะเวลาในการเริ่มต้นรอยแยก (ชม.) ความลึกของการกัดกร่อนของรอยแยกที่ 100 ชม. (µm) อัตราการกัดกร่อนของรอยแยกสม่ำเสมอที่ 500 ชั่วโมง (มม./ปี) ความลึกของการกัดกร่อนของรอยแยก (µm)
Clean control (no debris)None >500 (ไม่มี) 0 0 0.18
อนุภาคทองแดง โลหะ Cu 20 45 310 (เจาะที่ 480 ชม.) 0.18
อนุภาคทองแดง (N2 ไล่เพื่อเอา ​​O2 ออก) โลหะ Cu, ขจัดอากาศ 15 65 420 (เจาะที่ 380 ชม.) 0.20
เกล็ดไวแสงแห้งออร์แกนิกโพลีเมอร์ 35 25 180 0,18
เม็ดบีด PTFE เฉื่อย PTFE 120 8 35 0.18
ทองแดง + เฟอร์ริกไฮดรอกไซด์ flocsMixed เงินฝาก 10 75 500+ (เจาะที่ 320 ชั่วโมง) 0.18
เศษสแตนเลส (316 อนุภาค) 316 กรวด 80 12 50 0.18
ขยะที่ก้าวร้าวมากที่สุดคือขยะทองแดงที่เป็นโลหะ โดยเจาะผนัง 1.5 มม. ได้ใน 480 ชั่วโมง (20 วัน) ทองแดงมีสถานะแคโทดถึง 316 ใน FeCl3 (ศักยภาพในการกัดกร่อนของทองแดงประมาณ +300 mV เทียบกับ SCE ในขณะที่ 316 อยู่ที่ +500 mV ในตอนแรก แต่ทองแดงจะมีฤทธิ์นานกว่า) กระแสไฟฟ้าคู่ระหว่างเศษทองแดงและปลอก 316 จะสร้างกระแสขั้วบวกเพิ่มเติมซึ่งจะช่วยเร่งการโจมตีตามรอยแยก เศษชิ้นส่วนต้านทานแสงที่เกิดขึ้นล่าช้าแต่ยังคงมีการโจมตีที่สำคัญ การกัดกร่อนตามรอยแยกถูกจำกัดด้วยเม็ดบีด PTFE เฉื่อย ซึ่งบ่งชี้ว่าอนุภาคเศษที่ไม่-นำไฟฟ้าและไม่{-ทำปฏิกิริยามีอันตรายน้อยกว่าเศษโลหะมาก

ผลของขนาดและความครอบคลุมของเศษซากต่ออัตราการโจมตีรอยแยก
ความรุนแรงของการกัดกร่อนตามรอยแยกขึ้นอยู่กับขนาดของเศษ ความหนาแน่นของสิ่งปกคลุม และค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเสีย การทดสอบกับอนุภาคทองแดงที่มีขนาดต่างกันและครอบคลุมพื้นผิวที่แตกต่างกัน (100 ชม., 40% FeCl3, 50 องศา ) แสดงให้เห็นว่า:

Copper Particle Size (μm) Surface Coverage (%)Maximum Crevice Depth at 100 hours (u)Time to Perforation (hours) Mechanism 50-100 5 15 >500 รอยแยกที่แยกออกจากกัน
50-100 20 35 480 รอยแตกที่โต้ตอบกัน (หลายอัน)
100-300 5 28 500 รอยแยกที่ลึกกว่าจากอนุภาคที่ใหญ่กว่า
100-300 20 55 350 การเจาะที่รุนแรงและรวดเร็ว 300-500 5 45 420รอยแตกที่ลึกกว่านั้นเกิดจากอนุภาคที่ใหญ่กว่า
300-500 20 85 250 โจมตีสุดขีด
ขนาดผสม (100-500) 40 120 180 เครือข่ายรอยร้าวต่อเนื่อง
ความเสียหายที่สำคัญเกิดขึ้นแม้จะมีการครอบคลุมน้อยที่สุด (5%) สำหรับอนุภาคทองแดงขนาดใหญ่ (300-500 um) ซึ่งทำให้อายุการใช้งานของฝักลดลงเหลือ 420 ชั่วโมง (17.5 วัน) อนุภาคขนาดใหญ่ทำให้เกิดการเจาะที่ความครอบคลุม 20% ภายใน 250 ชั่วโมง (10.4 วัน) ในอ่างกัด PCB จริง ความครอบคลุมของอนุภาคทองแดงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 30-40 % ที่ด้านล่างของถังและเครื่องทำความร้อน เนื่องจากการตกตะกอนของตะกอน ซึ่งอธิบายถึงความล้มเหลวอย่างรวดเร็วที่รายงานในโรงงานที่ไม่มีการกรองหรือไม่เพียงพอ

อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อน ความสำคัญของการกรองและการบำรุงรักษาอ่างอาบน้ำ
ข้อมูลจากอุตสาหกรรม PCB แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ที่ได้รับการยืนยันระหว่างความสะอาดของอ่างอาบน้ำและอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน 316 การตรวจสอบรอยกัด 19 เส้นที่มีการหมุนเวียนของเฟอร์ริกคลอไรด์ (40-45 องศา Bé, 48-52 องศา ) ตามช่วงเวลาการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนและแนวปฏิบัติในการกรอง:

ประเภทการกรอง อัตราการกำจัดอนุภาค สารแขวนลอย (ppm) ค่ามัธยฐานของอายุการใช้งานฮีตเตอร์ทั่วไป (เดือน) โหมดความล้มเหลว โดดเด่น
การกรองไม่มี 500-2000 1-3 รอยแยกใต้เศษทองแดง
ถุงกรอง (100 µm) 100 µm Nominal 200-500 3-6 รอยแยกใต้อนุภาคขนาดเล็ก
ตลับกรอง (25 µm) 25 µm สัมบูรณ์ 50-150 6-12 รอยแยก + รูเล็กๆ
ตลับกรอง (5 μm) 5 μm สัมบูรณ์ 10-30 18-24 การกัดแบบสม่ำเสมอเท่านั้น
ตลับขนาด 5 ไมครอน + ตัวคั่นแม่เหล็ก 5 µm + การถอดเหล็ก<5 30+ Light attack
การกรองแบบคาร์ทริดจ์ขนาด 5 µm และโรงแยกแม่เหล็กทำให้เครื่องทำความร้อนมีอายุการใช้งาน 30+ เดือน ซึ่งคล้ายกับการตั้งค่าในห้องปฏิบัติการที่สะอาด ตัวคั่นแม่เหล็กจะกำจัดอนุภาคทองแดงขนาดเล็กที่อาจเกาะอยู่บนพื้นผิวแนวนอนและเครื่องทำความร้อน

กลยุทธ์การลดการให้บริการฮีตเตอร์เฟอร์ริกคลอไรด์
สามวิธีในการหลีกเลี่ยงหรือลดการกัดกร่อนของรอยแยกที่เกิดจากเศษ-อย่างมากในเครื่องทำความร้อนเฟอร์ริกคลอไรด์ การควบคุมอนุภาคจะมีประสิทธิภาพสูงสุด ติดตั้งการกรองแบบคาร์ทริดจ์สัมบูรณ์ 5-10 um บนวงจรหมุนเวียนด้วยตัวแยกแม่เหล็กที่ต้นทางเพื่อดักจับอนุภาคทองแดงที่เป็นโลหะ เก็บสารแขวนลอยให้ต่ำกว่า 20 ppm ต้องล้างย้อนเป็นระยะหรือเปลี่ยนตัวกรอง

เทคนิคที่สองเกี่ยวข้องกับการวางแนวเครื่องทำความร้อนและการออกแบบพื้นผิว ติดตั้งเครื่องทำความร้อนในแนวตั้งแทนที่จะเป็นแนวนอนเพื่อหลีกเลี่ยงเศษซากไม่ให้สะสมบนพื้นผิวด้านบน เครื่องอุ่นแนวนอนเป็นถาดสำหรับดักจับฝุ่นละออง เพิ่มแผ่นป้องกันเรียบและเอียงบนเครื่องทำความร้อนแนวนอนปัจจุบันเพื่อเบี่ยงเบนเศษซากที่ตกตะกอน แนะนำให้ใช้พื้นผิวเปลือกขัดด้วยไฟฟ้า (Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4 µm) เพื่อลดการเกาะตัวของเศษวัสดุ พื้นผิวที่ขรุขระมีแนวโน้มที่จะดักจับอนุภาค

ประการที่สามคือการทำความสะอาดเป็นระยะ เศษขยะบางส่วนยังสะสมตัวด้วยการกรองอีกด้วย ทำความสะอาดพื้นผิวเครื่องทำความร้อนทุกสัปดาห์โดยใช้เครื่องฉีดน้ำแรงดันสูง (1,000-2,000 psi) หรือแปรงไนลอนขนนุ่ม อย่าใช้แปรงโลหะ เนื่องจากอาจขูดพื้นผิวและสร้างรอยแยกเพิ่มเติมได้ สำหรับการเปรอะเปื้อนอย่างมีนัยสำคัญ การจุ่มกรดซิตริก 5-10% ที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 15 นาทีจะละลายคราบทองแดงโดยไม่ทำลาย 316

วัสดุอื่นๆ สำหรับบริการเฟอร์ริกคลอไรด์
หากไม่สามารถพึ่งพาการกรองและการทำความสะอาดเพื่อรักษาสภาพที่ปราศจากอนุภาค-ได้ การอัพเกรดวัสดุปลอกก็ช่วยได้บ้าง แม้ว่าจะไม่มีโลหะผสมทั่วไปใดที่ทนต่อการกัดกร่อนของรอยแยกเมื่อมี FeCl₃ ที่ลุกลามรุนแรงมากก็ตาม

อัตราการกัดกร่อนรอยแยกของวัสดุเปลือกภายใต้เศษทองแดง (40% FeCl3, 50 องศา ) (มม./ปี) ต้นทุนสัมพันธ์ (เทียบกับ. 316)แนะนำสำหรับ FeCl3 ที่ไม่มีการกรอง ? สแตนเลส 316 5-10 (เจาะเข้า)<500 hrs) 1.0 No 904L (UNS N08904) 2-4 (perforation in 1000-1500 hrs) 2.5 Marginal
โลหะผสม C-276 (UNS N10276) 0.5-1.0 8.0 ยอมรับได้ เป็นขยะเล็กๆ น้อยๆ
ไทเทเนียมเกรด 2<0.1 (minimum crevice) 2.2 Yes, great 
แทนทาลัม<0.01 20+ Over-specification
ไทเทเนียมเกรด 2 มีความทนทานต่อเฟอร์ริกคลอไรด์ได้ดีมาก และไม่มีการเร่งการกัดกร่อนของรอยแยกใต้เศษวัสดุเท่าเดิม ฟิล์มแพสซีฟบนไทเทเนียมมีความเสถียรมากกว่าในช่วงศักยภาพที่กว้างกว่า และมีความเสี่ยงน้อยกว่าต่อการแตกตัวที่เกิดจากคลอไรด์- อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนที่โรงงาน PCB ที่เปลี่ยนจาก 316 เป็นปลอกไทเทเนียมในสายการกัดกรดเฟอร์ริกคลอไรด์อยู่ที่ 5-10 ปี เทียบกับ 1-6 เดือนสำหรับ 316 ในอ่างที่ไม่มีการกรองเดียวกัน

สำหรับระบบที่มีการกรองที่มีประสิทธิผล (สัมบูรณ์ 5 µm หรือดีกว่า) และมีสารแขวนลอยที่บันทึกไว้ < 20 ppm อาจยอมรับสเตนเลส 316 ได้หากเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้: การวางแนวเครื่องทำความร้อนในแนวตั้ง พื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้า (Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4 µm) และการตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อดูเศษสะสมทุกสัปดาห์