Extrémne prostredie
Zmiešané kyslé leptanie pre aplikácie v oblasti polovodičov, letectva a kovov používa kombinácie kyseliny dusičnej a kyseliny fluorovodíkovej pri teplotách 60-90 stupňov. Toto prostredie napáda takmer všetky kovy. Kyselina dusičná poskytuje silnú oxidačnú silu. Kyselina fluorovodíková poskytuje fluoridové ióny, ktoré tvoria stabilné, rozpustné komplexy s väčšinou kovových katiónov, čím ničia akýkoľvek pasívny film, ktorý by inak mohol chrániť povrch.
Tantal je jedným z mála kovov s užitočnou odolnosťou voči tomuto prostrediu. Tantalová-zliatina volfrámu (Ta-2,5W alebo Ta-10W) zlepšuje už aj tak vynikajúcu odolnosť čistého tantalu proti korózii prostredníctvom spevnenia tuhým roztokom, ktoré tiež zvyšuje odolnosť voči napadnutiu fluoridmi. Tieto zliatiny predstavujú vrchol odolnosti voči kovovej korózii v zmiešanom kyslom prostredí.
PTFE je odolný voči obom kyselinám. Porovnanie je medzi najlepším dostupným kovovým materiálom-s merateľnou, konečnou odolnosťou proti korózii-a polymérom, ktorý v tomto prostredí nemôže korodovať.
Tantalový-mechanizmus korózie volfrámu v HF
Tantal odoláva HF lepšie ako ktorýkoľvek iný komerčný kov okrem irídia a platiny. Jeho pasívny film Ta₂O₅ je jedným z chemicky najodolnejších známych oxidov. Prídavok volfrámu spevňuje zliatinu a mierne zlepšuje odolnosť proti napadnutiu fluoridmi úpravou elektronickej štruktúry pasívneho filmu.
Tantalová-zliatina volfrámu však nie je imúnna voči HF. Pri 80 stupňoch v zmesiach HNO₃-HF sa pasívny film rozpúšťa rýchlosťou 0,005-0,02 mm/rok. Rozpúšťanie je vo všeobecnosti rovnomerné, ale môže sa lokalizovať na povrchových defektoch, hraniciach zŕn alebo oblastiach mechanického poškodenia. Škrabka, ktorá prenikne cez pasívny film, sa stáva miestom zrýchleného napadnutia, kým sa film znovu nevytvorí.
Rovnomerná rýchlosť rozpúšťania je zvládnuteľná s prídavkom na koróziu. Rizikom je lokalizovaný rozpad. Ak sa drobná železná častica z nástroja počas výroby alebo údržby zapustí do povrchu tantalu, vytvorí aktívny galvanický článok. Tantal okolo častice železa prednostne koroduje. Jamka sa iniciuje a šíri pod kombinovaným vplyvom kyslej zmesi a galvanickej hnacej sily.
Tabuľka 1: Porovnanie odolnosti proti korózii zmiešanej kyseliny (20 % HNO₃ + 5 % HF, 80 stupňov)
| Parameter korózie | Tantal-volfrám (Ta-2,5W) | PTFE |
|---|---|---|
| Mechanizmus ochrany proti korózii | Pasívny film Ta₂O₅ | Inherentná stabilita C-F dlhopisu |
| Rovnomerná rýchlosť korózie (mm/rok) | 0.005-0.02 | 0 |
| Lokalizované riziko korózie | Nízka, ale nie nulová (citlivosť na kontamináciu Fe) | žiadne |
| Citlivosť na zvýšenie koncentrácie HF | Stredná (miera úmerná [HF]) | žiadne |
| Citlivosť na zvýšenie teploty | Vysoká (sadzba sa zdvojnásobí na 10-15 stupňov) | Žiadne (pod 260 stupňov) |
| Cena materiálu (relatívna) | 30-50× | 1× |
| Zložitosť výroby | Extrémne vysoká (špecializované zváranie, podmienky v čistých priestoroch) | Mierne |
| Tepelná vodivosť (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Vyžaduje sa relatívna plocha povrchu | 1,0× (základná hodnota) | 3-4× |
| Predvídateľnosť životnosti | Stredné (stochastické riziko jamkovej jamky) | Vysoká (výpočet-podľa plazivosti) |
| Dôsledok zlyhania | Náhly dierkový únik; procesná kontaminácia | Postupné; zistiteľné meraním hrúbky |
Realita výroby a nákladov
Tantal-zliatina volfrámu patrí medzi najdrahšie technické materiály používané v chemických zariadeniach. Náklady na suroviny sú 30-50-krát vyššie ako PTFE na kilogram. Výroba si vyžaduje špecializované zváranie v inertnej atmosfére s vysokou{7}}čistotou, často v podmienkach čistých priestorov, aby sa zabránilo kontaminácii povrchu, ktorá by mohla spustiť koróziu. Zvárači musia byť certifikovaní špeciálne na zváranie žiaruvzdorných kovov. Nedeštruktívne vyšetrenie každého zvaru je povinné.
Náklady na vyrobený výmenník tepla sú 10-20-krát vyššie ako ekvivalent PTFE pri rovnakej tepelnej záťaži. Za túto cenu sa kupuje výmenník tepla, ktorý je kompaktný-vďaka tepelnej vodivosti tantalu 54 W/m·K, ale stále pomaly koroduje a nesie so sebou riziko lokalizovaného napadnutia.
Výmenníky tepla z PTFE pre rovnakú prevádzku sú väčšie-3- až 4-krát väčšiu plochu, no stoja len zlomok a majú nulové riziko korózie. Tam, kde inštalačný priestor pojme väčšiu pôdorysnú plochu, je ekonomická voľba jednoznačná.
Riziko kontaminácie procesu
Tantalová korózia uvoľňuje tantalové ióny do leptacieho roztoku. V prípade polovodičových a vysoko presných aplikácií na konečnú úpravu kovov môže kvalita procesu ovplyvniť kontaminácia kovovými iónmi na úrovni dielov-na-miliardu. Rýchlosť rozpúšťania tantalu 0,01 mm/rok znamená nepretržitý zdroj kontaminácie tantalu s nízkou úrovňou-.
PTFE neuvoľňuje žiadne kovové ióny. Neobsahuje žiadne kovy. Leptacie riešenie zostáva bez kovových kontaminácií-z výmenníka tepla{3}} počas celej životnosti zariadenia. Pre procesy citlivé na kontamináciu-je to rozhodujúca výhoda nezávislá od nákladov.
Zhrnutie
Výmenníky tepla PTFE sú odolné voči zmiešaným roztokom HNO₃-HF na leptanie pri 80 stupňoch, zatiaľ čo zliatina tantalu-volfrámu pomaly koroduje pasívnym rozpúšťaním filmu a nesie so sebou riziko lokalizovaného galvanického napadnutia. Materiálové náklady na tantal-volfrám sú 30- až 50-krát vyššie ako PTFE; náklady na vyrobené zariadenie sú 10-20 krát vyššie.
PTFE vyžaduje 3-4-násobok povrchovej plochy pre ekvivalentné tepelné zaťaženie. Ak je k dispozícii inštalačný priestor, PTFE poskytuje nižšie náklady, nulové riziko korózie a bez kontaminácie kovovými iónmi. Tantal-volfrám je vyhradený pre aplikácie, kde priestorové obmedzenia alebo mechanické požiadavky vylučujú väčšiu stopu PTFE.
Technická analýza pre výber materiálu výmenníka tepla na leptanie zmesou kyseliny je k dispozícii po predložení koncentrácií kyselín, prevádzkovej teploty, tepelnej záťaže, dostupného inštalačného priestoru a citlivosti na kontamináciu kovov.
