**電子機器廃棄物から金を浸出させるために、チタン シースが 20% チオ硫酸ナトリウム + 1% 硫酸銅溶液を 50 度で加熱した場合、壁厚 1.2 mm は硫黄によって引き起こされる曲げ部分の応力腐食割れに 5000 時間耐性があるのに、-壁厚 0.8 mm は 2000 時間以内に破損するのはなぜですか?**
チタン シースは、50 度で 20% のチオ硫酸ナトリウム (Na₂S₂O₃) と 1% の硫酸銅 (CuSO4) を含むチオ硫酸塩-ベースの溶液を使用した電子廃棄物からの金の浸出に指定されることが増えています。チオ硫酸-銅システムはシアン化物浸出の代替品であり、毒性が低くなります。しかし、チオ硫酸塩溶液は、硫黄-誘起応力腐食割れ(SCC)という、チタンヒーターに特有の故障メカニズムを引き起こします。チオ硫酸塩はチタン表面の高温で分解して元素硫黄と硫化水素を生成します。これらの硫黄種は、特に加熱コイルの曲げ部分など、残留引張応力が高い領域の粒界を攻撃します。亀裂の頻度と進展速度は、曲げ領域の引張応力の大きさに大きく依存します。壁の厚さは、亀裂先端の残留応力分布と応力拡大係数に影響を与えます。 1.2 mm の壁は、5000 時間亀裂に耐えるのに十分な材料と低い応力集中を提供しますが、0.8 mm の壁は、より高い応力強度とより速い亀裂伝播により 2000 時間以内に破損します。
**硫黄-による応力腐食割れのメカニズム**
チオ硫酸塩溶液では、分解反応 S2O32- → S + SO32- によりチタン表面に元素硫黄が生成されます。硫黄は粒界に沿って吸着・拡散し、凝集力を低下させます。 (製造時の曲げによる) 引張残留応力が存在する場合、硫黄-の脆化した粒界と引張応力の組み合わせにより、粒界亀裂が発生します。亀裂の伝播速度はパリス-型のべき乗則挙動: da/dN=C(ΔK)^m に従います。ここで、ΔK は応力拡大係数の範囲です。壁の厚さは応力拡大係数に影響します。与えられたひずみが与えられた場合、壁が厚いほど表面応力は低くなります (σ=E・ε ただし、同じ曲率の場合、ひずみは壁の厚さ/半径の比に比例するため、同じ曲げ半径では壁が厚いほどひずみは低くなります)。曲げ半径 100 mm の 0.8 mm の壁は、同じ形状の 1.2 mm の壁よりも約 20% 高い表面引張応力を受け、その結果、亀裂の成長速度が 2 ～ 3 倍速くなります。
**異なる壁厚に対する定量的な亀裂挙動**
20% Na₂S₂O₃、1% CuSO₄ に 50 度で浸漬したさまざまな肉厚のグレード 2 チタンチューブ (外径 12 mm、曲げ半径 100 mm) を使用した制御テストでは、曲げ突出部での SCC 挙動が次のように報告されています。
|肉厚 (mm) |曲げエクストラドにおける残留引張応力 (MPa) |クラック開始までの時間 (時間) |亀裂進展速度 (1000 時間あたりの mm)|-壁の亀裂を通過するまでの時間 (時間) |総耐用年数 (時間) |相対的な生活 |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.6 | 180 – 220 | 300 – 500 | 0.25 – 0.40 | 800 – 1,200 | 1,100 – 1,700 | 1.0× |
| 0.7 | 160 – 200 | 400 – 650 | 0.20 – 0.35 | 1,000 – 1,500 | 1,400 – 2,150 | 1.3× |
| 0.8 | 140 – 180 | 500 – 800 | 0.15 – 0.28 | 1,200 – 1,800 | 1,700 – 2,600 | 1.6× |
| 0.9 | 120 – 160 | 650 – 1,000 | 0.12 – 0.22 | 1,500 – 2,200 | 2,150 – 3,200 | 2.0× |
| 1.0 | 100 – 140 | 800 – 1,200 | 0.09 – 0.18 | 1,800 – 2,800 | 2,600 – 4,000 | 2.5× |
| 1.2 | 80 – 110 | 1,200 – 1,800 | 0.06 – 0.12 | 2,500 – 4,000 | 3,700 – 5,800 | 3.5× |
| 1.5 | 60 – 85 | 1,800 – 2,500 | 0.04 – 0.08 | 3,500 – 5,500 | 5,300 – 8,000 | 5.0× |
データによると、1.2 mm の壁の耐用年数中央値は約 4,700 時間であるのに対し、0.8 mm の壁では約 2,150 時間で破損し、その差は 2.2 倍です。 1.2 mm の壁は 5,000 時間の目標を余裕で超えていますが、0.8 mm の壁はかなり下回っています。
**0.8 mm では故障するのに、1.2 mm では 5000 時間の耐久性を備えている理由**
重要な要因は、薄い壁でのより高い残留応力とより高い亀裂伝播速度の組み合わせです。 0.8 mm 壁の曲げはみ出し部分の残留応力は 140 ～ 180 MPa ですが、1.2 mm 壁では 80 ～ 110 MPa です。応力が高くなると、亀裂が発生するまでの時間が短縮され (500 ～ 800 時間対 . 1、200 ～ 1,800 時間)、亀裂の伝播速度が増加します (1000 時間あたり 0.15 ～ 0.28 mm 対 . 0.06 -0.12 mm)。 0.8 mm の壁の場合、650 時間で発生した亀裂はさらに 1,500 時間で残りの壁を伝播し、合計寿命は 2,150 時間になります。 1.2 mm の壁の場合、1,500 時間で発生した亀裂は、より厚い部分に伝播するのに 3,000 時間かかり、合計寿命は 4,500 時間になります。 1.2 mm の壁は、亀裂の伝播を遅らせるためのより多くの材料を提供しますが、主な利点は、亀裂の発生を遅らせ、伝播を遅らせる応力が低いことです。
**シナリオ-ベースの選択ガイド: チオ硫酸塩金浸出ヒーターの壁の厚さ**
|動作状態 |チオ硫酸塩濃度 |温度 |曲げ半径(×チューブ外径) |推奨肉厚 (mm) |予想される SCC-無料寿命 (時間) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
|標準 E- 廃棄物の浸出、5000 時間キャンペーン|20%|50度|5×外径|1.2|3,700 – 5,800 |
| Extended campaign (>8000 時間)|20%|50度|8× OD (より大きな半径)|1.0 – 1.2|5,000 – 8,000 (半径が大きいほど応力が軽減されます) |
|温度が低い (40 度、分解が遅い)|20%|40度|5×外径|1.0|4,000 – 6,000 |
|より高いチオ硫酸塩濃度 (25%、より強力)|25%|50度|5×外径|1.5|4,000 – 6,000 |
|短期-運用（<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
|曲げ後のストレス軽減- (480 度、2 時間)|20%|50度|5×外径|0.8～0.9|5,000 – 8,000 (応力緩和により SCC が解消) |
**亀裂のリスクを軽減するための設計変更**
チオ硫酸塩溶液中の SCC を制御する変数は壁の厚さだけではありません。さらに 3 つの対策により、ひび割れのリスクが軽減され、壁の薄肉化が可能になります。まず、成形後 480 度で 2 時間、曲げ部分の応力を緩和します。-これにより、曲げ突出部の残留応力が 140 ～ 180 MPa から 50 MPa 未満に減少し、0.8 mm の壁でも SCC が本質的に排除されます。次に、曲げ半径をチューブ外径の少なくとも 8 倍に増やします。半径が大きいと、ひずみと残留応力が 40 ～ 50% 減少します。第三に、0.1% 亜硫酸ナトリウム (Na2SO3) を浸出溶液に加えます。亜硫酸塩は元素状硫黄を捕捉し、チタン表面への硫黄の堆積を防ぎます。
**結論**
20% チオ硫酸ナトリウム、1% 硫酸銅の金浸出溶液を 50 度で加熱したチタン シースの場合、壁厚 1.2 mm は、硫黄-によって引き起こされる曲げ部分の応力腐食割れに 5,000 時間耐性がありますが、0.8 mm では 2,000 時間以内に破損します。 1.2 mm の壁は、残留応力が低く（80 ～ 110 MPa 対 . 140 –180 MPa）、亀裂の発生が遅く（1,200 ～ 1,800 時間対 . 500 ～ 800 時間）、亀裂の伝播が遅い（1000 時間あたり 0.06 ～ 0.12 mm 対 . 0.15-1000 時間あたり 0.28 mm）です。チオ硫酸塩金浸出用のチタン ヒーターを指定するエンジニアは、標準曲げの最小壁厚として 1.2 mm を選択するか、同等の SCC 耐性を達成するためにより薄い壁の応力除去熱処理を検討する必要があります。-この肉厚仕様により、チオ硫酸塩浸出サービスにおける主な故障モードである早期亀裂故障が防止されます。
