**Kui titaankestad kuumutavad 20% naatriumtiosulfaadi + 1% vasksulfaadi lahust 50 kraadi juures, et elektroonikajäätmetest kuld leostuks, siis miks peab seinapaksus 1,2 mm vastu väävli-indutseeritud pingekorrosiooni pragunemisele painutatud sektsioonides 5000 tunni jooksul, samas kui 0,8 mm jooksul?**
Titaankestad on üha enam ette nähtud kulla leostamiseks elektroonikajäätmetest, kasutades tiosulfaadil põhinevaid lahuseid, mis sisaldavad 50 kraadi juures 20% naatriumtiosulfaati (Na2S₂O3) ja 1% vasksulfaati (CuSO₄). Tiosulfaat{5}}vasksüsteem on alternatiiv tsüaniidiga leostumisele, pakkudes madalamat toksilisust. Tiosulfaadi lahused kujutavad endast aga ainulaadset titaankuumutite rikkemehhanismi: väävli-indutseeritud pingekorrosioonipragunemist (SCC). Tiosulfaat laguneb kõrgel temperatuuril titaanpindadel, moodustades elementaarse väävli ja vesiniksulfiidi. Need väävliliigid ründavad terade piire, eriti suure jääktõmbepingega piirkondades, näiteks küttespiraalide painutatud osades. Pragunemise sagedus ja levimiskiirus sõltuvad tugevalt paindepiirkonna tõmbepinge suurusest. Seina paksus mõjutab jääkpinge jaotust ja pinge intensiivsuse tegurit pragude otstes. 1,2 mm sein tagab piisava materjali ja madalama pingekontsentratsiooni, et takistada pragunemist 5000 tundi, samas kui 0,8 mm sein puruneb 2000 tunni jooksul suurema pinge intensiivsuse ja pragude kiirema levimise tõttu.
**Väävli-indutseeritud pingekorrosioonipragunemise mehhanism**
Tiosulfaadi lahustes tekitab lagunemisreaktsioon S2O₃2⁻ → S + SO₃2⁻ titaani pinnal elementaarset väävlit. Väävel adsorbeerub ja hajub piki terade piire, vähendades nende kohesioonitugevust. Tõmbe jääkpinge olemasolul (tootmise ajal paindumisest), põhjustab väävli-habrastatud terapiiride ja tõmbepinge kombinatsioon teradevahelise pragunemise. Pragude levimiskiirus järgib Pariisi-tüüpi võimsuse-seadust: da/dN=C(ΔK)^m, kus ΔK on pinge intensiivsuse teguri vahemik. Seina paksus mõjutab pinge intensiivsuse tegurit: antud rakendatud deformatsiooni korral on paksematel seintel väiksem pindpinge (σ=E·ε, kuid sama kõveruse korral on deformatsioon võrdeline seina paksuse/raadiuse suhtega, seega on paksematel seintel sama painderaadiuse korral väiksem pinge). 0,8 mm seinal 100 mm painderaadiuses on ligikaudu 20% suurem pinnatõmbepinge kui sama geomeetriaga 1,2 mm seinal, mille tulemuseks on 2–3 korda kiirem pragude kasvukiirus.
**Kvantitatiivne pragunemiskäitumine erinevate seinapaksuste korral**
Kontrollitud testid, milles kasutati 2. klassi titaantorusid (12 mm OD, 100 mm painderaadius) erineva seinapaksusega, mis on sukeldatud 20% Na2S₂O3, 1% CuSO₂ 50 kraadi juures, näitavad järgmist SCC käitumist kõvera ekstrados:
| Seina paksus (mm)|Tõmbe jääkpinge kõvera ekstrados (MPa)|Aeg lõhenemise alguseni (tunnid)|Pragude levimiskiirus (mm 1000 tunni kohta)|Aeg-seina purunemiseni (tunnid)|Kogu kasutusiga (tundides)|Suhteline elu |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 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× |
Andmed näitavad, et 1,2 mm seina keskmine kasutusiga on ligikaudu 4700 tundi, 0,8 mm seinal aga umbes 2150 tundi – erinevus 2,2 korda. 1,2 mm sein ületab mugavalt 5000 tunni eesmärgi, samas kui 0,8 mm sein jääb tublisti alla.
**Miks 1,2 mm tagab 5000-tunnise takistuse, samas kui 0,8 mm ebaõnnestub**
Kriitilised tegurid on suurema jääkpinge ja suurema pragude leviku kiiruse kombinatsioon õhemates seintes. 0,8 mm seinal on 140–180 MPa jääkpinge painde ekstrados, võrreldes 80–110 MPa 1,2 mm seinaga. Suurem pinge vähendab pragude tekkimise aega (500–800 tundi vs 0,8 mm seina puhul levib 650 tunni pärast tekkiv pragu läbi ülejäänud seina veel 1500 tunniga – kogu eluiga 2150 tundi. 1,2 mm seina puhul kulub 1500 tunni pärast tekkiva prao paksemas osas levimiseks 3000 tundi – kogu eluiga 4500 tundi. 1,2 mm sein annab rohkem materjali pragude leviku aeglustamiseks, kuid peamine eelis on väiksem pinge, mis aeglustab initsiatsiooni ja aeglustab levikut.
**Stsenaariumil
| Kasutusseisund|Tiosulfaadi kontsentratsioon|Temperatuur|Painderaadius (× toru OD)|Soovitatav seinapaksus (mm)|Eeldatav SCC{0}}tasuta eluiga (tundides) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Standardne E{0}}jäätmete leostumine, 5000-tunnine kampaania|20%|50 kraadi|5× OD|1,2|3700 – 5800 |
| Extended campaign (>8000 tundi)|20%|50 kraadi|8× OD (suurem raadius)|1,0 – 1,2|5000 – 8000 (suurem raadius vähendab pinget) |
| Madalam temperatuur (40 kraadi, aeglasem lagunemine)|20%|40 kraadi|5× OD|1,0|4000 – 6000 |
| Kõrgem tiosulfaadi kontsentratsioon (25%, agressiivsem)|25%|50 kraadi|5× OD|1,5|4000 – 6000 |
| Lühiajaline{0}}operatsioon (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Pinge-leevendub pärast painutamist (480 kraadi, 2 tundi)|20%|50 kraadi|5× OD|0,8 – 0,9|5000 – 8000 (stressi leevendamine kõrvaldab SCC) |
**Disaini muudatused pragunemisohu vähendamiseks**
Seina paksus ei ole ainus muutuja, mis kontrollib SCC-d tiosulfaadi lahustes. Kolm lisameedet vähendavad pragunemisohtu ja võimaldavad õhemaid seinu. Esiteks vabastage painutatud sektsioonid-2 tundi pärast vormimist 480 kraadi juures; see vähendab jääkpinget painde ekstrados 140–180 MPa-lt alla 50 MPa, kõrvaldades sisuliselt SCC isegi 0,8 mm seintes. Teiseks suurendage painderaadiust vähemalt 8× toru OD; suuremad raadiused vähendavad deformatsiooni ja jääkpinget 40–50%. Kolmandaks lisage leostuslahusele 0,1% naatriumsulfiti (Na2SO3); sulfit eemaldab elementaarse väävli, takistades selle ladestumist titaani pinnale.
**Järeldus**
20% naatriumtiosulfaadi ja 1% vasksulfaadi kulla leostuslahuseid 50 kraadi juures kuumutavate titaankatete puhul peab seinapaksus 1,2 mm vastu väävli- põhjustatud pingekorrosioonipragudele painutatud sektsioonides 5000 tundi, samas kui 0,8 mm puruneb 2000 tunni jooksul. 1,2 mm seinal on väiksem jääkpinge (80–110 MPa vs Insenerid, kes määravad titaankuumutisi tiosulfaatkulla leostumise jaoks, peaksid valima standardsete painde minimaalseks seinapaksuseks 1,2 mm või kaaluma õhemate seinte pingevaba kuumtöötlust, et saavutada samaväärne SCC-kindlus. See seinapaksuse spetsifikatsioon väldib enneaegset pragunemist – tiosulfaadi leostusteenuse domineerivat rikkerežiimi.
