**Wanneer titanium omhulsels een oplossing van 20% natriumthiosulfaat + 1% kopersulfaat verhitten tot 50 graden voor het uitlekken van goud uit elektronisch afval, waarom is een wanddikte van 1,2 mm dan bestand tegen zwavel-geïnduceerde spanningscorrosiescheuren bij gebogen secties gedurende 5000 uur, terwijl 0,8 mm binnen 2000 uur bezwijkt?**
Titaniumomhulsels worden steeds vaker gespecificeerd voor het uitlekken van goud uit elektronisch afval met behulp van op thiosulfaat-gebaseerde oplossingen die 20% natriumthiosulfaat (Na₂S₂O₃) en 1% kopersulfaat (CuSO₄) bij 50 graden bevatten. Het thiosulfaat-kopersysteem is een alternatief voor het uitlogen van cyanide en biedt een lagere toxiciteit. Thiosulfaatoplossingen bieden echter een uniek faalmechanisme voor titaniumverwarmers: door zwavel-geïnduceerde spanningscorrosiescheuren (SCC). Thiosulfaat ontleedt bij verhoogde temperaturen op titaniumoppervlakken en produceert elementair zwavel en waterstofsulfide. Deze zwavelsoorten tasten de korrelgrenzen aan, vooral in gebieden met een hoge resttrekspanning, zoals de gebogen delen van verwarmingsspiralen. De scheurfrequentie en de voortplantingssnelheid zijn sterk afhankelijk van de grootte van de trekspanning in het buiggebied. De wanddikte beïnvloedt de restspanningsverdeling en de spanningsintensiteitsfactor bij scheurpunten. Een wand van 1,2 mm levert voldoende materiaal en een lagere spanningsconcentratie om scheuren gedurende 5000 uur te weerstaan, terwijl een wand van 0,8 mm binnen 2000 uur bezwijkt vanwege de hogere spanningsintensiteit en snellere scheurvoortplanting.
**Mechanisme van zwavel-geïnduceerde spanningscorrosiescheuren**
In thiosulfaatoplossingen produceert de ontledingsreactie S₂O₃²⁻ → S + SO₃²⁻ elementaire zwavel aan het titaniumoppervlak. Zwavel adsorbeert en verspreidt zich langs korrelgrenzen, waardoor hun cohesiesterkte afneemt. Wanneer er restspanning op trek aanwezig is (door buiging tijdens de productie), leidt de combinatie van zwavel-verbroste korrelgrenzen en trekspanning tot intergranulaire scheuren. De snelheid waarmee de scheur zich voortplant, volgt het gedrag van de machtswet van Paris-type-: da/dN=C(ΔK)^m, waarbij ΔK het bereik van de spanningsintensiteitsfactor is. De wanddikte heeft invloed op de spanningsintensiteitsfactor: voor een bepaalde uitgeoefende spanning hebben dikkere wanden een lagere oppervlaktespanning (σ=E·ε, maar voor dezelfde kromming is de spanning evenredig met de verhouding wanddikte/straal, dus dikkere wanden hebben een lagere spanning voor dezelfde buigradius). Een wand van 0,8 mm in een buigradius van 100 mm ondervindt ongeveer 20% hogere oppervlaktetrekspanning dan een wand van 1,2 mm in dezelfde geometrie, wat resulteert in een 2-3x snellere scheurgroei.
**Kwantitatief scheurgedrag voor verschillende wanddiktes**
Gecontroleerde tests met titaniumbuizen van klasse 2 (12 mm buitendiameter, 100 mm buigradius) met variërende wanddiktes ondergedompeld in 20% Na₂S₂O₃, 1% CuSO₄ bij 50 graden rapporteren het volgende SCC-gedrag bij de bochtextrados:
| Wanddikte (mm)|Residuele trekspanning bij buigextrados (MPa)|Tijd tot Crack-initiatie (uren)|Voortplantingssnelheid van scheuren (mm per 1000 uur)|Tijd tot door-Muurscheur (uur)|Totale levensduur (uren)|Relatief leven |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 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× |
Uit de gegevens blijkt dat een wand van 1,2 mm een gemiddelde levensduur heeft van ongeveer 4.700 uur, terwijl een wand van 0,8 mm na ongeveer 2.150 uur kapot gaat – een verschil van 2,2×. De muur van 1,2 mm overschrijdt ruimschoots de doelstelling van 5.000 uur, terwijl de muur van 0,8 mm ruimschoots tekortschiet.
**Waarom 1,2 mm een weerstand van 5000 uur biedt, terwijl 0,8 mm faalt**
De kritische factoren zijn de combinatie van hogere restspanning en hogere scheurvoortplantingssnelheid in dunnere wanden. De wand van 0,8 mm heeft een restspanning van 140–180 MPa bij de extra bochten, vergeleken met 80–110 MPa voor de wand van 1,2 mm. De hogere spanning verkort de tijd tot scheurinitiatie (500-800 uur vs. Bij een muur van 0,8 mm plant een scheur die na 650 uur begint zich in nog eens 1500 uur door de resterende muur voort – totale levensduur 2150 uur. Bij een wand van 1,2 mm duurt het 3000 uur voordat een scheur die na 1500 uur begint zich door het dikkere gedeelte voortplant – totale levensduur 4500 uur. De wand van 1,2 mm biedt meer materiaal om de scheurvoortplanting te vertragen, maar het belangrijkste voordeel is de lagere spanning die de initiatie vertraagt en de voortplanting vertraagt.
**Scenario-Gebaseerde selectiegids: wanddikte voor thiosulfaat-gouduitloogverwarmers**
| Bedrijfstoestand|Thiosulfaatconcentratie|Temperatuur|Buigradius (× buitendiameter buis)|Aanbevolen wanddikte (mm)|Verwachte SCC-Gratis levensduur (uren) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Standaard uitloging van E-afval, campagne van 5000 uur|20%|50 graden|5× buitendiameter|1.2|3.700 – 5.800 |
| Extended campaign (>8000 uur)|20%|50 graden|8× OD (grotere straal)|1,0 – 1,2|5.000 – 8.000 (grotere straal vermindert spanning) |
| Lagere temperatuur (40 graden, langzamere ontleding)|20%|40 graden|5× buitendiameter|1,0|4.000 – 6.000 |
| Hogere thiosulfaatconcentratie (25%, agressiever)|25%|50 graden|5× buitendiameter|1,5|4.000 – 6.000 |
| Korte-termijnwerking (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Spanning-verlicht na buigen (480 graden, 2 uur)|20%|50 graden|5× buitendiameter|0,8 – 0,9|5.000 – 8.000 (stressverlichting elimineert SCC) |
**Ontwerpaanpassingen om het risico op scheuren te verminderen**
Wanddikte is niet de enige variabele die SCC in thiosulfaatoplossingen controleert. Drie aanvullende maatregelen verminderen het risico op scheuren en maken dunnere wanden mogelijk. Ontlast eerst de gebogen secties -op 480 graden gedurende 2 uur na het vormen; dit vermindert de restspanning bij de bochtextrados van 140–180 MPa tot minder dan 50 MPa, waardoor SCC zelfs in wanden van 0,8 mm in wezen wordt geëlimineerd. Ten tweede: vergroot de buigradius tot minimaal 8× de buitendiameter van de buis; grotere stralen verminderen de spanning en restspanning met 40-50%. Voeg ten derde 0,1% natriumsulfiet (Na₂SO₃) toe aan de uitloogoplossing; sulfiet vangt elementaire zwavel op, waardoor de afzetting ervan op het titaniumoppervlak wordt voorkomen.
**Conclusie**
Voor titaniummantels die 20% natriumthiosulfaat en 1% kopersulfaat-gouduitloogoplossingen verhitten tot 50 graden, is een wanddikte van 1,2 mm bestand tegen zwavel-geïnduceerde spanningscorrosiescheuren bij gebogen secties gedurende 5000 uur, terwijl 0,8 mm binnen 2000 uur bezwijkt. De wand van 1,2 mm heeft een lagere restspanning (80–110 MPa vs.. 140–180 MPa), vertraagde scheurinitiatie (1.200–1.800 uur vs.. 500–800 uur) en langzamere scheurvoortplanting (0,06–0,12 mm per 1000 uur vs.. 0.15–0,28 mm per 1000 uur). Ingenieurs die titaniumverwarmers specificeren voor het uitlogen van thiosulfaatgoud moeten 1,2 mm selecteren als de minimale wanddikte voor standaard bochten, of een spanningsontlastende warmtebehandeling overwegen voor dunnere wanden om een gelijkwaardige SCC-weerstand te bereiken. Deze wanddiktespecificatie voorkomt voortijdig scheuren – de dominante faalwijze bij het uitlogen van thiosulfaat.
