Chương 9 PHƯƠNG PHÁP bảo vệ KIM LOẠI KHỎI ăn mòn

Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
Có 6 phương pháp kiểm soát ăn mòn kim loại là:
•
Thiết kế tránh ăn mòn;
•
Lựa chọn vật liệu thích hợp đối với từng môi trường;
•
Tạo lớp phủ trung gian ngăn cách không cho kim loại tiếp xúc
trực tiếp với môi trường;
•
Dùng chất ức chế ăn mòn kim loại;
•
Bảo vệ điện hóa ( bảo vệ catot, bảo vệ anot)
•
Thay đổi môi trường.
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
9.1 Thiết kế chống ăn mòn
Giới thiệu: Có 3 giai đoạn ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sử dụng một kết cấu kim loại là:
Thiết kế - Chế tạo – Sử dụng.
Nguyên tắc thiết kế tránh ăn mòn:
-
Đơn giản hóa hình dáng;
-
Tránh tích tụ ẩm;
-
Tránh gây ăn mòn galvanic;
-
Khi nối các vật liệu cần tránh tạo hốc, khe rãnh, cấu trúc dị thể, ăn mòn galvanic;
-

Chú ý đến sự thay đổi kích thước kết cấu do ăn mòn, do tạo thành sản phẩm ăn mòn;
-
Chú ý thay đổi kích thước kết cấu do có lớp phủ;
-
Cần định hướng chế tạo và sử dụng;
-
Lựa chọn vật liệu thích hợp.
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
9.2 Lựa chọn vật liệu
Độ bền ăn mòn của kim loại là một tính chất của hệ “kim loại –môi
trường”.
Ví dụ: * Thép carbon bị ăn mòn trong dung dịch axit H2SO4 loãng:
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 ;
- Thép carbon bị thụ động trong axit H2SO4 đặc, nguội (do tạo thành
lớp sắt oxyt mỏng, khít, bám chặt lên bề mặt kim loại)
- Thép carbon bị ăn mòn trong axit H2SO4 đặc, nóng:
2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4 )3 + 3SO2 + 6H2O
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
* Thép không gỉ thì rất nhạy cảm với sự ăn mòn bởi S (sulfur). Nhưng các hợp kim niken
như :Inconel và Incoloy thì lại bền đối với sự ăn mòn bởi S.
•
Loại ăn mòn galvanic nổi trội nhất trong các cặp pin: Thép không gỉ - Thép carbon; Hợp
kim ni ken – Thép carbon; Thép không gỉ (Stainless Steels ) - Thép hợp kim thấp (low
alloy steels) trong những vùng ngoại vi đã loại khí
•
Các loại thép không gỉ như: Duplex stainless steels/Super Duplex Stainless steels hầu như
có độ bền cao đối với nhiều loại ăn mòn;
•

Titanium, Zirconium bền trong tất cả các môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao;
•
Đồng, hợp kim đồng, hợp kim niken: bền trong nước biển;
•
Một vật liệu bền đối với sự nứt ăn mòn ứng lực có thể bị hỏng do giảm sức chịu đựng;
•
Vật liệu khác bền ở ăn mòn nhiệt độ cao, có thể bị hỏng do ăn mòn pitting.
•
Không có loại vật liệu nào là bền vững đối với tất cả các loại ăn mòn.
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
9.3 Tạo lớp hàng rào trung gian
9.3.1. Ý nghĩa. Lớp bảo vệ hoặc lớp hàng rào trung gian trên vật liệu nhằm tránh
tiếp xúc trực tiếp với môi trường sẽ nậng cao tuổi thọ của vật liệu và thiết bị.
*Lớp hàng rào có thể là sơn, lớp phủ sơn hoặc lớp phủ kim loại.
•
Cũng có cả những lớp vỏ phi kim loại, như: thủy tinh, epoxy, cao su…
•
Các lớp sơn có thể bị bong tróc khi phơi lâu dài trong khí quyển nóng và dưới
ánh sáng mặt trời;
•
Các lớp vỏ trên đường ống có thể bị hư hỏng về phương diện vật lý, bị nứt và
phân lớp.
•
Phương pháp tạo lớp hàng rào rẻ tiền và dễ áp dụng.
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM
LOẠI KHỎI ĂN MÒN
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ BỀ MẶT NỀN

1. TẨY DẦU MỠ (bằng kiềm, dung môi)
2. TẨY GỈ (hóa học, điện hóa, cơ học)
3. ĐÁNH BÓNG (cơ học, điện hóa)
4. CHE CHẮN (bằng băng dính, sơn, parafin, cao su, nhựa)
5. TẠO LỚP PHỦ
GIA CÔNG BỀ MẶT CHI TIẾT
TRƯỚC KHI SƠN, MẠ
Phun cát:

Phun cát khô dùng hạt mài SiC,Al2O3,SiO2…

Căn cứ vào nguyên liệu, trạng thái bề mặt và yêu cầu
gia công mà chọn hạt mài có độ hạt khác nhau

Phun cát ướt giống như phun cát khô nhưng có nước lẫn
vào hạt mài, tỷ lệ nước chiếm 65-80%

Cần cho thêm phụ gia là chất ức chế ăn mòn để chống
sự gỉ của sắt , thép khi phun cát ướt.
TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC
Tẩy gỉ kim loại đen:

Để làm sạch bề mặt chi tiết trước khi mạ phải tẩy gỉ

Có thể dùng phương pháp hóa học hoặc điện hóa để tẩy
gỉ

Đối với kim loại đen được chia làm 4 loại:
•

Thép cacbon thấp hay thép hợp kim thấp
•
Thép cacbon cao
•
Thép cường độ cao,thép lò xo
•
Thép đúc hàm lượng cacbon cao
* Gỉ gồm sắt III oxyt (Fe2O3), sắt từ oxyt (Fe3O4) và sắt II oxyt
(FeO). Tẩy gỉ bằng phương pháp hóa học - dùng các axit không
có tính oxy hóa + chất ức chế ăn mòn thép, như:Axit sunfuric
loãng (10 –15%); Axit clohydric (10-15%) ; Axit flohydric 5% hoặc
axit citric 1,53% ở gần nhiệt độ sôi .
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O
Fe3O4 + 8HCl = 2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 (xảy ra rất chậm)
TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
HÓA HỌC
TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA
HỌC
Tẩy gỉ hóa học kim loại màu:
Tẩy gỉ nhôm và hợp kim Al-Cu-Mn trong dung dịch kiềm
NaOH (50-150g/l), nhiệt độ 45-800C, trong 1 phút.
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
2Al+ 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2
Nên tẩy gỉ hợp kim Al-Mg hoặc Al-Mg-Si trong dung dịch
H2SO4(98%) 150ml/lit
Nhiệt độ:800C.Thời gian:2-5phút
Al2O3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O
2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2

TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA
* Tẩy gỉ bằng phương pháp điện hóa :
a) Tẩy gỉ anot cho thép cacbon và thép hợp kim thấp :Nối chi tiết thép
cần tẩy gỉ với cực dương nguồn điện 1 chiều. Cưc âm nguồn điện nối với
tấm chì.
Thành phần dung dịch (g/l):HCl (8-10) + NaCl (40-50)+ Chất ức chế ăn
mòn thép.Danot = 5-10A/ dm2 .
Nhiệt độ: 18-35oC. Thời gian: 5-10 phút.
-Tại anot thép: 2H2O - 4e- → 2H+ + O2 (Khí oxy đánh tơi lớp oxyt,
giúp cho phản ứng hòa tan gỉ bằng axit dễ hơn).
Tại catot chì: 2H+ + 2e- →H2
TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA
b)Tẩy gỉ catot thép cácbon:
Nối chi tiết thép cần tẩy gỉ với cực âm nguồn điện 1 chiều. Cưc dương nối với tấm chì.
Thành phần dung dịch (g/l):H2SO4 (50-60) + HCl (25-30) + NaCl (15-20) + Chất ức chế ăn
mòn thép.
Dcatot= 8-10A/ dm2 . Nhiệt độ: 60- 70oC.
Thời gian: 10-15 phút (Không tẩy lâu để tránh giòn chi tiết do hydrô)
-Tại anot chì: 2H2O - 4e- → 2H+ + O2
Tại catot thép : H+ + e- → H. Nguyên tử H khử một phần oxyt sắt ( 6H + Fe2O3 → 2Fe +
3H2O). Bọt khí hydro làm tơi lớp gỉ, giúp cho phản ứng hòa tan gỉ bởi axit dễ hơn.
5.2 Tẩy gỉ kim loại màu bằng phương pháp hóa học:

Tẩy gỉ cho nhôm và hợp kim nhôm

Nhôm hoặc hợp kim nhôm trước khi mạ cần phải tẩy lớp oxi hóa bằng gia công cơ khí
hoặc tẩy bằng hóa học trong dung dịch


H2SO4(98%)ml/l 100

CrO3(g/l) 35
Chương IX. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
KHỎI ĂN MÒN
9.3.2 Phương pháp tạo lớp phủ trên bề mặt vật liệu:
Có 5 phương pháp chính để tạo lớp phủ trên bề mặt vật liệu là:
•
Bằng công nghệ hóa học;
•
Bằng công nghệ điện hóa;
•
Nhúng trong kim loại nóng chảy;
•
Phun phủ bề mặt;
•
Kết tủa trong pha hơi.
a) Phân loại theo phương thức sản xuất:
•
Mạ hóa học: Tạo lớp mạ nhờ phản ứng thế. Mạ bạc lên đồng nhờ phản ứng: Cu +
2AgNO3 → Cu(NO3)2 + Ag
•
Mạ điện hoá học: Tạo lớp mạ nhờ nguồn điện 1 chiều
•
Mạ nhúng nóng: Nhúng chi tiết thép vào kẽm nóng chảy được lớp mạ kẽm dày, khít
trên bề mặt thép.
•
Mạ phun: Phun Al nóng chảy lên bề mặt thép được lớp mạ Al có độ xốp cao (nên
chống ăn mòn thép kém).

•
Oxyt hoá kim loại: Tạo lớp oxyt trên bề mặt kim loại (thép, nhôm).
•
Phốt phát hóa thép: Tạo trên bề mặt thép lớp muối phốt phát (của thép, kẽm,mangan )
có tính cách điện cao, bám dính tốt, độ xốp caodùng làm lớp lóttrước khi sơn hoặc
làm lớp cách điện trong các thiết bị điện.
PHÂN LOẠI LỚP MẠ
PHÂN LOẠI LỚP MẠ
b) Phân loại lớp mạ theo bản chất:
•
Chất nền có thể là kim loại (chủ yếu là thép cacbon), polyme (nhựa), ceramic
(gốm), hoặc composite (kim loại chứa các chất rắn phân tán).
•
Các lớp mạ điện bao gồm:- Lớp mạ đơn: Zn, Ni, Sn, Pb, Cu, Cr, Cd, Ag, Pt, Au.
- Lớp mạ hợp kim: Cu-Zn, Cu-Sn, Pb-Sn, Sn-Ni, Ni-Co, Ni-Cr, Ni-Fe.
- Lớp mạ composite: PTFE,Al2O3, WC, SiC,,Cr3C2, kim cương, graphite.

Lớp mạ bảo vệ

Lớp mạ trang trí

Lớp mạ trang trí bảo vệ
c) Phân loại lớp mạ theo mục đích sử dụng:
- Lớp mạ bảo vệ nền khỏi ăn mòn;
-
Lớp mạ trang trí;
-
Lớp mạ bảo vệ - trang trí (phổ biến nhất).
d) Phân loại lớp mạ theo bản chất điện hóa đối với thép:
Lớp mạ anot có điện thế

ÂM hơn sắt

Nền


Lớp mạ catot có điện
thế DƯƠNG hơn sắt
Al, Zn Fe


Ni, Sn, Pb, Cu, Ag, Pt, Au
Che phủ + bảo vệ điện hóa
thép
Che phủ thép
PHÂN LOẠI LỚP MẠ
PHÂN LOẠI LỚP MẠ
Nếu lớp mạ có lỗ xốp chứa nước và khí oxy thì sẽ tạo thành pin
ăn mòn.
Ví dụ: Pin ăn mòn (-)Zn/ H2O,O2/Fe(+).
- Trên lớp mạ kẽm (là anot vì Eo Zn2+/Zn= -0,76V), xảy ra
phản ứng hòa tan kẽm: Zn - 2e- → Zn2+ (1)
Trên nền thép (là catot vì Eo Fe2+/Fe= -0,44V), xảy ra phản ứng:
O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (2)
Các phản ứng thứ cấp: Zn2+ + 2OH- → Zn(OH) 2 (3)
Zn(OH) 2 + CO2 → ZnCO3 + H2O (3)
PHÂN LOẠI LỚP MẠ
•
- Nếu lớp mạ niken trên thép có lỗ xốp sẽ tạo thành
pin ăn mòn (-)Fe/ H2O,O2/Ni(+).
Tại nền anot thép (EoFe2+/Fe = -0,44V):

Fe - 2e- → Fe2+ (1)
Tại lớp mạ catot niken (EoNi2+/Ni = -0,25V): :
O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (2)
Các phản ứng thứ cấp: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH) 2 (3)
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (4)
2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O
(Gỉ sắt)
Điện một
chiều
Lớp kim
loại được
mạ
Catốt ( Vật được mạ )
Bể mạ
Anốt
Dung dịch mạ: Nước, muối của ion Mn+ , chất đệm và chất phụ gia
•
Sơ đồ của quá trình mạ điện :
Vận chuyển ion
NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH MẠ ĐiỆN
Các phản ứng xảy ra trong quá trình mạ điện:
Trên bề mặt anot (cực dương) xảy ra phản ứng oxy hóa (mất điện
tử):
•
a) Nếu anot là kim loại mạ tan được, thì xảy ra phản ứng hòa tan
kim loại này, để bổ sung cation kim loại mạ cho dung dịch:
M – ne- → Mn+
•
b) Nếu là anot trơ (không tan được) thì thường xảy ra phản ứng
giải phóng khí oxy:

•
*Trong dung dịch axit hoặc trung tính (pH ≤ 7) thì:
•
H2O – 2e- → 2H+ + O ; O + O → O2.
•
* Trong dung dịch kiềm (pH > 7) thì:
•
2OH- -2e- → H2O + O; O + O → O2
Trên bề mặt catot (cực âm) xảy ra các phản ứng khử (nhận điện
tử). Sự tạo thành lớp mạ điện chỉ xảy ra khi điện thế catot dịch
chuyển khỏi vị trí cân bằng về phía ÂM một lượng đủ lớn để
thắng được các trở lực gây ra độ phân cực catot (còn gọi là quá thế
catot ηc = φcb – φ; [φcb = Điện thế cân bằng của catot; φ = Điện
thế phân cực catot khi đã có dòng điện i].
•
*Phản ứng chính là tạo lớp mạ trên catot: Mn+ + ne- → M.
•
*Phản ứng phụ thường là giải phóng khí hyđro:
•
a) pH < 7: H+ + e- → H; H + H→ H2.
•
b) pH≥ 7 : H2O + e- → OH- + H; H + H→ H2
Ví dụ: MẠ NIKEN
Dung dịch mạ Niken mờ gồm có:

NiSO4.7H2O 250g/l (cung cấp Ni2+)

NiCl2.6H2O 60g/l (chống thụ động anot Ni)

H3BO3 30g/l (đệm pH)


Na2SO4 40g/l (tăng độ dẫn điện )

pH:4-5

Nhiệt độ:50-700C

Mật độ dòng catot Ik=4-5A/dm2
* Anot là tấm Ni; Catot là chi tiết thép cần mạ
Ví dụ: MẠ KẼM

Thành phần dung dịch mạ kẽm sunfat:

(Cung cấp Zn2+ ) ZnSO4.7H2O 300g/l

(Tăng độ dẫn điện) Na2SO4.10H2O 100g/l

(Ổn định pH) KAl(SO4)2.12H2O 60g/l

(Chất hoạt động bề mặt) Dextrin vàng 10g/l

Độ pH = 3,5- 4,5

Anot là tấm kẽm tinh khiết

Mật độ dòng catot Ik = 4A/dm2

Nhiệt độ điện phân: 20-35o C