Tubes électropolis et polis mécaniquement, partie 1

Cet article en deux parties résume les points importants de l'article sur l'électropolissage et donne un aperçu de la présentation de Tverberg à InterPhex plus tard ce mois-ci. Aujourd'hui, dans la partie 1, nous examinons l'importance de l'électropolissage des tubes en acier inoxydable, des techniques d'électropolissage et des méthodes analytiques. Dans la partie 2, nous présentons un aperçu des dernières recherches sur la passivation des tubes en acier inoxydable poli mécaniquement.

Partie 1 : Tubes en acier inoxydable électropoli Les industries pharmaceutiques et des semi-conducteurs ont besoin de grandes quantités de tubes en acier inoxydable électropolis en interne. Dans les deux cas, l'acier inoxydable de type 316L est l'alliage de choix. Parfois, des alliages inoxydables à 6 % de molybdène sont utilisés ; les alliages C-22 et C-276 sont importants pour les fabricants de semi-conducteurs, en particulier lorsque l'acide chlorhydrique gazeux est utilisé comme agent de gravure.

Les tubes électropolis sont spécifiés pour de nombreuses applications en raison de :

Caractérisation facile des défauts de surface qui seraient autrement masqués dans le labyrinthe des anomalies de surface trouvées dans les matériaux les plus courants.

L'inertie chimique de la couche passive résulte du fait que le chrome et le fer sont à l'état d'oxydation 3+ plutôt que sous forme de métaux zérovalents. Les surfaces polies mécaniquement, même après une longue passivation à l'acide nitrique chaud, conservent toujours des niveaux élevés de fer libre dans le film. Ce seul facteur donne aux surfaces électropolies un grand avantage en termes de stabilité à long terme.

Une autre différence majeure entre les deux surfaces est la présence (sur les surfaces polies mécaniquement) ou l'absence (sur les surfaces électropolies) d'éléments d'alliage. Les surfaces polies mécaniquement conservent la composition de base de l'alliage avec seulement un léger appauvrissement des autres éléments d'alliage, tandis que les surfaces électropolies ne contiennent essentiellement que du chrome et du fer.

Fabrication de tubes électropolisPour produire une surface lisse électropolie, il faut commencer par une surface lisse. Cela signifie commencer avec de l'acier de très haute qualité, fabriqué pour la meilleure soudabilité. Pendant la fusion, le soufre, le silicium, le manganèse et les éléments désoxydants (par exemple Al, Ti, Ca, Mg) et la ferrite delta doivent être contrôlés. La bande doit être traitée thermiquement pour dissoudre toutes les secondes phases qui peuvent provenir de la solidification de la masse fondue ou qui peuvent se former pendant le traitement à haute température.

De même, le type de finition de la bande est le plus important. Trois finitions de surface de bandes laminées à froid disponibles dans le commerce sont spécifiées dans la norme ASTM A-480 : 2D (recuit à l'air, décapé et fini avec des rouleaux émoussés) ; 2B (recuit à l'air, décapé et fini avec des rouleaux polis); et 2BA (atmosphère protectrice recuit brillant et fini avec des rouleaux polis).

Le profilage, le soudage et le conditionnement des cordons doivent tous être soigneusement contrôlés pour produire un tube aussi rond que possible. Même la moindre contre-dépouille de soudure ou ligne de nivellement du cordon de soudure sera visible après le polissage. De même, les marques de profilage, les motifs de soudure et tout dommage mécanique aux surfaces seront évidents après le polissage électrolytique.

Après le traitement thermique, le diamètre intérieur du tube doit être poli mécaniquement pour éliminer les imperfections de surface résultant de la bande et du processus de formage du tube. C'est à cette étape que la sélection de la finition des bandes devient critique. Si la rugosité est trop profonde, plus de métal doit être retiré de la surface d'identification du tube pour produire un tube lisse. Si la rugosité est peu profonde ou inexistante, moins de métal doit être retiré. Les meilleures finitions de polissage électrolytique, généralement de l'ordre de 5 micro-pouces ou plus lisses, sont obtenues à partir de tubes polis longitudinalement à la bande. Ce type de polissage élimine le plus de métal de la surface, généralement dans la plage de 0,001 pouce, éliminant ainsi les joints de grains, les défauts de surface et les imperfections de formation. Le polissage par tourbillonnement enlève moins de matière, produit une surface « maculée » et donne généralement un Ra plus élevé (rugosité de surface moyenne) dans la plage de 10 à 15 micro-pouces.

L'électropolissage L'électropolissage est simplement une galvanoplastie à l'envers. La solution de polissage électrolytique est pompée à travers le diamètre intérieur du tube tandis qu'une cathode est tirée à travers le tube. Le métal est retiré préférentiellement des points les plus hauts de la surface. Le processus "veut" plaquer la cathode avec le métal dissous de l'intérieur du tube, qui est l'anode. Il est important de contrôler l'électrochimie pour éviter le placage cathodique et pour conserver la valence appropriée pour chacun des ions.

Pendant le polissage électrolytique, de l'oxygène est généré à l'anode ou à la surface de l'acier inoxydable, et de l'hydrogène est généré à la surface de la cathode. L'oxygène est un composant essentiel dans la création des propriétés spéciales des surfaces électropolies, à la fois pour augmenter la profondeur de la couche passive et pour produire une véritable couche passive.

L'électropolissage se produit sous une couche dite "Jacquet" qui semble être du sulfite de nickel polymérisé. Tout ce qui empêche la formation de la couche Jacquet provoque une surface électropolie défectueuse. Il s'agit généralement d'un ion, tel que le chlorure ou le nitrate, qui empêche la formation de sulfite de nickel. D'autres interférents sont les huiles de silicone, la graisse, la cire et d'autres hydrocarbures à longue chaîne.

Après le polissage électrolytique, les tubes sont rincés à l'eau, puis encore passivés dans de l'acide nitrique chaud. Cette passivation supplémentaire est nécessaire pour éliminer tout sulfite de nickel résiduel et pour améliorer le rapport de surface du chrome au fer. Après la passivation, les tubes sont rincés avec de l'eau de traitement, placés dans de l'eau chaude déminéralisée, séchés et emballés. Si un emballage en salle blanche est requis, les tubes sont ensuite rincés dans de l'eau déminéralisée jusqu'à ce qu'une conductivité spécifiée soit atteinte, puis séchés avec de l'azote gazeux chaud avant l'emballage.

Les techniques les plus courantes pour analyser les surfaces électropolies sont la spectroscopie électronique Auger (AES) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) (également connue sous le nom de spectroscopie électronique pour l'analyse chimique). L'AES, qui utilise des électrons générés près de la surface pour générer un signal spécifique pour chaque élément, donne un profil élémentaire en fonction de la profondeur. XPS utilise des rayons X mous qui produisent des spectres d'énergie de liaison qui permettent la différenciation des espèces moléculaires par nombre d'oxydation.

Profil de surface et apparence de surface Des valeurs de rugosité de surface similaires ne signifient pas que l'apparence de surface est la même. La plupart des profilomètres actuels peuvent indiquer un certain nombre de valeurs de rugosité de surface différentes, notamment Rq (également appelée rms), Ra, Rt (différence maximale entre la vallée minimale et le pic maximal), Rz (hauteur maximale moyenne du profil) et plusieurs autres. Ces expressions sont dérivées de divers calculs effectués à partir d'une seule traversée de la surface avec un stylet en diamant. Dans cette traversée, une partie est sélectionnée électroniquement, appelée "coupure", sur laquelle les calculs sont basés.

Il est possible d'utiliser une combinaison de différentes valeurs calculées, par exemple Ra et Rt, pour mieux décrire une surface, mais il n'existe pas de fonction unique qui puisse différencier deux surfaces différentes avec la même valeur Ra. L'ASME publie une norme, ASME B46.1, qui définit la signification de chaque fonction calculée.

Pour plus d'informations, contactez : John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Tél. : 262-642-8210.

Edité par Angelo DePalma

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