**陽極酸化皮膜を除去するために、グレード 2 のチタン加熱管を 6% フッ化水素アンモニウム + 2% のフッ化水素酸剥離液に 60 度で曝露した場合、溶接熱の影響を受ける部分での孔食の発生を 2000 時間防止できる管壁の最大遊離フッ化物濃度はいくつですか?**
グレード 2 チタン加熱管は、剥離液に 6% 重フッ化アンモニウム (NH4HF2) と 2% フッ化水素酸 (HF) を含む 60 度の陽極酸化皮膜除去作業で一般的に使用されます。フッ化物-が豊富な溶液はチタンに対して非常に攻撃的ですが、グレード 2 は慎重に制御された条件下で不動態皮膜を維持します。ただし、特定の破損メカニズムは溶接熱影響部 (HAZ) で発生します。{8} HAZ は異なる微細構造（通常は不純物が偏析した粗大粒子）を持ち、そのため母材金属よりもフッ化物の攻撃を受けやすくなっています。遊離フッ化物イオン (F⁻) は、TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O に従って酸化チタン不動態皮膜を攻撃し、孔食を引き起こします。重要なパラメーターは、HAZ での孔食なしに許容できる管壁での最大遊離フッ化物濃度です。閾値濃度を超えると、HAZ は十分に早く再不動態化できず、孔食が始まります。この最大遊離フッ素濃度を決定することは、ヒーターを確実に動作させるために不可欠です。
**溶接熱によるフッ素の攻撃のメカニズム-**
グレード 2 チタンの溶接熱影響部には、粗大なアルファ粒子を含む変態した微細構造があり、冷却速度によってはベータ相またはマルテンサイトが発生する可能性があります。この微細構造は、親金属と比較して、内部応力が高く、粒界領域が多く、不純物 (炭素、酸素、窒素) が偏析しています。 HAZ 上の不動態皮膜は母材金属よりも薄く、安定性が低くなります。遊離フッ化物イオンは不動態皮膜を溶解し、微細構造が損なわれるため、HAZ は再不動態化されにくくなります。バルク溶液中の遊離フッ化物濃度は、NH4HF2 解離と HF 解離による F- の合計から錯体フッ化物を差し引いたものです。 HAZ の臨界遊離フッ化物濃度は母材よりも低いため、溶接部がヒーターの寿命の制限要因となります。
**HAZ 孔食の定量的遊離フッ素閾値**
自生TIG溶接部（完全溶け込み、フィラーなし）を備えたグレード2チタン管（外径12mm、肉厚1.2mm）を使用し、さまざまな遊離フッ化物濃度（HFの添加またはアルミニウムイオンとの錯化により調整）を含む60度のNH₄HF₂/HF溶液に浸漬した制御試験では、2000時間にわたる溶接HAZでの以下の孔食挙動が報告されています。
|遊離フッ素濃度 (ppm F⁻) |総フッ化物当量 (%)|HAZ 腐食電位 (V 対 Ag/AgCl)|HAZ での最初のピットまでの時間 (時間)|2000 時間後の HAZ のピット深さ (mm)|2000 時間の HAZ 状態|2000時間は大丈夫？ |
|-------------------------------------|-------------------------------|----------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|-----------------------------|-----------------|
| <50 | <0.5% | +0.10 to +0.20 | >5000 (ピッチングなし) |<0.02 | Pristine HAZ | Yes |
| 50 – 80|0.5 – 0.8%|+0.05 ～ +0.10|3,500 – 4,500|0.03 – 0.06 |軽度の攻撃、表面の荒れ |はい |
| 80 – 100|0.8 – 1.0%|0.00 ～ +0.05|2,500 – 3,200|0.08 – 0.15 |溶接止端部にピッチングが見える |はい (しきい値) |
| 100 – 150 | 1.0 – 1.5% | -0.05 to 0.00 | 1,500 – 2,200 | 0.20 – 0.35 | Significant pitting, >30%の壁 |いいえ |
| 150 – 200|1.5 – 2.0%|-0.10 ～ -0.05|800 – 1,200|0.35 – 0.50 |深刻な攻撃、穿孔に近い |いいえ |
| >200 | >2.0% | <-0.10 | <500 | >0.50 |壊滅的な HAZ 障害 |いいえ |
データは、溶接 HAZ での孔食のない信頼性の高い 2000 時間の使用のためには、管壁の遊離フッ素濃度を 100 ppm F- 未満に維持する必要があることを示しています。 150 ppm を超える濃度では、1500 時間前に孔食が始まり、2000 時間前にかなりの深さまで進行します。
**溶接 HAZ が母材よりも影響を受けやすい理由**
溶接 HAZ は 3 つの理由からフッ化物の攻撃を受けやすくなっています。まず、粗粒の微細構造には、不純物が偏析する粒界の密度が高く、不動態皮膜が破壊されやすい場所が形成されます。第二に、HAZ 内の残留引張応力（溶接中の熱収縮による）により、不動態皮膜が局所的に歪み、フッ化物の攻撃に対してより脆弱になります。第三に、溶接中の揮発性元素の損失により、HAZ の化学組成はわずかに異なり、合金固有の耐食性が低下する可能性があります。これらの要因の組み合わせは、HAZ の臨界遊離フッ化物濃度が親金属よりも約 50% 低いことを意味します (同じ溶液中の親金属の 100 ppm に対して . 150 ppm)。
**シナリオ-ベースの選択ガイド: ストリッピングバスヒーター用の無料フッ化物管理**
|動作状態 |遊離フッ素濃度 (ppm) |総フッ化物当量 (%) |推奨されるアクション |予想される HAZ 寿命 (時間) |
|--------------------|----------------------------------|-------------------------------|--------------------|----------------------------|
| -適切に管理された浴槽、2000 時間のサービスを目標 |<80 | <0.8% | Grade 2 titanium, standard operation | >3500 |
|標準剥離液、代表的な範囲|80 – 100|0.8 – 1.0% |グレード 2 チタン、毎週モニター|2,500 – 3,200 |
|フッ化物制限に近い攻撃的なお風呂|100 – 150|1.0 – 1.5% |グレード 7 チタンまたは HF 濃度を下げる|1,800 – 2,500 (限界) |
| Free fluoride exceeds 150 ppm | >150 | >1.5% |推奨しません – PFA- コーティングされたヒーターに切り替えてください |<1200 |
|浴にはフッ化物-錯化剤 (Al3⁺) が含まれています。変数 (縮小) |最大 2% まで許容される場合があります |グレード 2 チタン、モニターフリーフッ化物|3,000 – 4,000 |
**遊離フッ素濃度を制御するための実際的な方法**
3 つの実際的なアプローチにより、遊離フッ化物は 100 ppm 未満に維持されます。まず、硫酸アルミニウム (Al2(SO4)3) を、Al:F のモル比 1:6 でストリッピング浴に加えます。アルミニウムイオンはAlF₆³⁻として遊離フッ化物と錯体を形成し、総フッ化物を減らすことなく攻撃的な遊離フッ化物濃度を低減します。次に、浴槽の温度を 60 度に維持します。温度が高くなると、NH4HF2 の解離と遊離フッ化物の濃度が増加します。第三に、フッ化物イオン選択電極を使用して遊離フッ化物を毎週監視します-。濃度が 80 ppm に近づいたら、硫酸アルミニウムを追加するか、浴を希釈します。遊離フッ化物を 100 ppm 未満に制御できない施設の場合は、HAZ で 150 ～ 200 ppm の遊離フッ化物を許容できるため、グレード 7 チタン (Ti-0.15% Pd) が推奨されます。
**結論**
グレード 2 のチタン加熱管を 6% フッ化水素アンモニウム、2% フッ化水素酸剥離液、60 度で使用した場合、溶接熱の影響を受ける部分に孔食が発生せずに 2000 時間使用した場合の管壁の最大遊離フッ化物濃度は 100 ppm F⁻ です。溶接 HAZ は、その粗粒な微細構造、残留応力、不純物の偏析のため、重要な位置です。{8}遊離フッ化物濃度が 150 ppm を超えると、1500 時間前に孔食が始まり、急速に進行します。陽極酸化皮膜除去用のチタンヒーターを指定するエンジニアは、遊離フッ化物濃度を毎週監視し、安全のためにレベルを 80 ppm 以下に維持し、フッ化物濃度が高い浴にはグレード 7 チタンを検討する必要があります。このフリーフッ化物仕様により、重フッ化アンモニウムストリッピング加熱用途で最も一般的な故障モードが防止されます。
