ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

3/8/2013

ĂN MÒN VÀ BẢ
BẢO VỆ
VỆ
KIM LOẠ
LOẠI
GV phụ trách: LÊ THỊ THANH THỦY
Email:

NỘI DUNG MÔN HỌ
H ỌC
Chương I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI
Chương II: ĂN MÒN HÓA HỌC
Chương III: ĂN MÒN ĐiỆN HÓA
Chương IV: ĂN MÒN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
Chương V: CÁC BiỆN PHÁP BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN
KIM LOẠI
Chương VI: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN
VẬT LIỆU CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI.

1


3/8/2013

TÌNH HÌNH ĂN MÒN VẬ
VẬT LIỆ
LIỆU

2

3/8/2013

Cứ 1 giây qua đi khoảng trên hai tấn thép trên
phạm vi toàn cầu đã biến thành rỉ.

3


3/8/2013

Động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong

Nồi hơi

Lò đốt rác y tế

Bạn có biết ?
Mỗi năm
- Lượng kim loại bị ăn mòn khoảng 80 %.
- Lượng kim loại tái tạo lại trong lò luyện kim
khoảng 30%.
- Lượng kim loại mất đi khoảng 50 %

4


3/8/2013

CHI PHÍ ĐỂ CHỐNG ĂN MÒN
 Chi phí trực tiếp: thay thế thiết bị, chi tiết bị ăn mòn.
 Chi phí gián tiếp: sửa chữa thiệt hại do ngưng sản xuất.
 Chi phí bảo vệ: dùng vật liệu chịu ăn mòn thì đầu tư cao
hơn, chi phí tạo lớp phủ bảo vệ, chi phí bảo vệ điện hóa.
 Chi phí phòng ngừa: Chi phí kiểm tra, bảo dưỡng.

ĐỊNH NGHĨA VỀ
VỀ ĂN MÒN KIM LOẠ
LOẠI
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tác dụng hóa học
hay điện hóa giữa chúng với môi trường xung quanh.
Nói một cách khác, ăn mòn là quá trình chuyển biến kim loại
từ dạng nguyên tố thành dạng hợp chất. Sự ăn mòn thường
bắt đầu xảy ra trên bề mặt kim loại, sau đó phát triển vào sâu
bên trong kèm theo sự biến đổi thành phần và tính chất hóa lý
của kim loại và hợp kim. Kim loại có thể hòa tan một phần hay
toàn bộ tạo ra các sản phẩm ăn mòn dưới dạng kết tủa trên
bề mặt lớp kim loại.

5


3/8/2013

Phân loại theo cơ chế ăn mòn

a/ Ăn mòn điện hóa
Là sự ăn mòn kim loại trong môi trường điện ly, xảy ra do quá

trình trao đổi điện tử giữa chất oxi hóa và chất khử.
b/ Ăn mòn hóa học
Là sự ăn mòn do phản ứng hóa học giữa kim loại với môi
trường khí xung quanh có chứa các tác nhân gây ăn mòn như
oxy, lưu huỳnh, clo…, hay với một số các hợp chất hữu cơ.

Phân loại theo môi trường ăn mòn

• Ăn mòn trong khí quyển
• Ăn mòn trong môi trường nước ngọt
• Ăn mòn trong môi trường nước biển
• Ăn mòn trong môi trường đất…

6


3/8/2013

Phân loại theo đặc trưng của dạng ăn mòn

7


3/8/2013

Bài tập 1
Các bạn hãy tìm hiểu tại sao thép và inox đều có thành
phần chính là sắt, nhưng thép để lâu ngoài không khí thì bị
gỉ, còn inox thì không?

Nộp qua mail, hạn cuối là 24h ngày 10/03.

8


3/8/2013

Chương II
ĂN MÒN HÓA HỌC

1

Phần 0: KIM LOẠI

• Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình tương tác giữa kim
loại và môi trường.
• Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn. Một
trong những yếu tố đó là cấu tạo kim loại, hoặc hợp kim.

2

1


3/8/2013

KIM LOẠI
Bản chất liên kết trong kim loại
• Lý thuyết cổ điển cho rằng các nguyên tử kim loại có bán
kính tương đối, năng lượng ion hóa thường không cao, nghĩa

là các electron ngoài cùng bị nhân hút không chặt lắm nên dễ
dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử và trở thành electron tự do.

• Các electron tự do hình thành nên “khí quyển electron” có
điện tích âm, còn các nhân nguyên tử và các electron còn lại
tạo thành mạng lưới tích điện dương.
3

Bản chất liên kết trong kim loại

• Tương tác điện giữa các electron tự do và mạng dương
điện giữ các nguyên tử kim loại lại với nhau

4

2


3/8/2013

Cấu trúc tinh thể của kim loại

5

Cấu trúc tinh thể của kim loại
Lập phương tâm khối

6

3

3/8/2013

Cấu trúc tinh thể của kim loại

7

Cấu trúc tinh thể của kim loại

Bài tập 2: Hãy tìm hiểu mạng tinh thể dạng lập
phương tâm diện và lục giác xếp chặt.
Tính toán độ đặc khít của hai mạng tinh thể kim
loại trên. So sánh với độ đặc khít của mạng
tinh thể lập phương tâm khối.
Hạn cuối nộp bài là 24h ngày 17/03
8

4


3/8/2013

KHÁI NIỆM ĂN MÒN HÓA HỌC
• Ăn mòn hóa học là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng
hóa học của nó với môi trường xung quanh.
• Ăn mòn hóa học xảy ra khi kim loại tiếp xúc với chất lỏng
không phân ly hoặc khí khô.
• Đặc điểm của ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn không
sinh ra dòng điện.

• Sản phẩm ăn mòn tạo thành ngay chỗ kim loại tiếp xúc với
môi trường.
9

I.

ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG

PHẢI LÀ CÁC CHẤT ĐIỆN LY DẠNG LỎNG

• Các chất không phải là chất điện ly là các chất không phân ly
thành các ion tự do trong dung dịch hoặc trong trạng thái nóng
chảy.
Ví dụ: brom lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, nhiều dung môi hữu cơ
(benzen, tetraclorur carbon, cloroform,…) và các nhiên liệu lỏng
(dầu hỏa, xăng, dầu khoáng,…) là các chất không điện ly.

10

5


3/8/2013

I.

ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG

PHẢI LÀ CÁC CHẤT ĐIỆN LY DẠNG LỎNG

• Các chất lỏng hữu cơ phần lớn không ăn mòn sắt, hợp kim
của sắt.

• Các sản phẩm dầu mỏ (xăng, dầu lửa, dầu khoáng,…) là sản
phẩm hữu cơ không điện ly, nó gây ăn mòn do lẫn tạp chất
hoặc trong thành phần có chứa hợp chất hydrocarbur không no,
có khả năng bị oxi hóa, các sản phẩm đó sẽ ăn mòn kim loại.
11

I.

ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG

PHẢI LÀ CÁC CHẤT ĐIỆN LY DẠNG LỎNG
Ví dụ:
Xăng cracking có thành phần:
- Hydrocarbon thơm: 25 – 40%.
- Olefin: 15 – 30%
- Naphtalene: 2 – 10%.
- Parafin: 35 – 60%.
Các sản phẩm này rất dễ bị oxi hóa bởi oxi không khí.
Chính sản phẩm của phản ứng oxy hóa gây ăn mòn kim loại.
12

6


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÔNG KHÍ
1. Khái niệm
• Quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hóa học của các chất khí
với kim loại gọi là sự ăn mòn trong môi trường khí.
• Quá trình ăn mòn khí phổ biến nhất là sự oxi hóa kim loại bằng
oxi không khí ở nhiệt độ cao.

13

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

14

7


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
2. Khả năng oxi hóa kim loại
• Xét một phản ứng ăn mòn kim loại bởi khí oxi trong không khí:

• Quá trình trên có xảy ra hay không, phụ thuộc vào thế
đẳng nhiệt, đẳng áp ∆G của phản ứng trên.

15

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÔNG KHÍ
• Phản ứng oxi hóa trên tự xảy ra khi ∆G < 0  (PO2)cb < PO2
và ngược lại.
• Nếu xem áp suất khí quyển là 1atm, oxi chiếm 20% không khí
sẽ có áp suất riêng phần là 0.2 atm (P O2 = 0.2atm).
• Vậy việc xác định phản ứng ăn mòn có xảy ra hay không, hay
dấu của ∆G phụ thuộc vào giá trị áp suất riêng phần của oxi tại
trạng thái cân bằng.
• Giá trị này có thể tính toán thông qua giá trị ∆G 0 của phản ứng
trong các sổ tay hóa lý.
16

8


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

Ví dụ 1: Cho phản ứng oxi hóa bạc trong không khí như sau:
4Ag + O2  2Ag2O
Ở 3000K, áp suất của O2 ở trạng thái cân bằng là
4Ag + O2  2Ag2O

là (PO2)cb = 0,69atm > 0,2atm

Vậy ở 3000K, bạc không bị ăn mòn do phản ứng không tự
xảy ra giữa bạc và oxi không khí.

17

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

• Sản phẩm của quá trình ăn mòn (kết quả của phản ứng
giữa kim loại và oxy không khí) là các dạng oxid kim loại, đều
ở dạng màng bám trên bề mặt kim loại.
• Độ dày của màng phụ thuộc vào tính chất của kim loại và
môi trường.

18

9


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
3. Cơ cấu lớn lên của màng
• Khi đã hình thành, màng oxid tiếp tục lớn lên.
• Vùng lớn lên của màng là vùng gặp nhau của 2 luồng khuếch
tán:
+ Khuếch tán ion kim loại và điện tử qua màng oxit ra ngoài
môi trường.
+ oxy khuếch tán vào bề mặt kim loại.
19

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÔNG KHÍ
Có thể chia làm 3 trường hợp:
• Vùng lớn lên của màng là mặt ngoài của màng, như vậy sự
khuếch tán qua màng chủ yếu do ion kim loại và điện tử.
• Vùng lớn lên của màng là vùng bên ngoài tiếp giáp với bề
mặt kim loại, khuếch tán qua màng chủ yếu là do oxy.
• Vùng lớn lên của màng là vùng giữa màng.
20

10


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

21

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

Đa số các trường hợp xảy ra phù hợp với trường hợp 1.

22

11


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

23

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Màng sít
• Các loại màng sít đôi khi có khả năng bảo vệ kim loại, tránh
tiếp tục bị ăn mòn, lớp màng có tính chất bảo vệ cần phải có
tính chất:
+ màng sít chặt không có lỗ xốp, bao phủ toàn bộ bề mặt
kim loại.
+ màng không bị phá hủy trong môi trường ăn mòn.
+ màng bám chắc trên bề mặt kim loại.
+ hệ số dãn nở nhiệt của màng xấp xỉ hệ số dãn nở nhiệt
của kim loại.
24

12


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

• Điều kiện để lớp màng bao phủ kín bề mặt kim loại là thể
tích oxid kim loại tạo thành do một nguyên tử gam kim loại

bị oxy hóa phải lớn hơn thể tích gam của kim loại đó.
• Thể tích nguyên tử gam của kim loại:

25

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Thể tích oxid kim loại do 1 nguyên tử gam kim loại bị oxy hóa

Trong đó:

M: phân tử gam của oxid kim loại (g)
n: số nguyên tử kim loại trong phân tử oxid kim loại
D: khối lượng riêng của oxid kim loại (g/cm3 )

26

13


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

Điều kiện để lớp oxid bao phủ kín bề mặt kim loại là:

Ví dụ: Al bị oxy hóa bởi oxy không khí tạo thành lớp màng sít.
A 27
M 102

VAl  
 10
VAl2O3 

12.75
d 2.7
n.D 2.4.0
V Al 2O 3 12.75

 1.275
V Al
10

Tính bảo vệ của màng Al2O3 khá tốt.
27

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

28

14


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Đối với màng sít, tốc độ phát triển màng chậm dần theo thời
gian.

• Ion kim loại Mn+ chuyển vào lớp oxid.
• Oxy không khí chuyển đến bề mặt tiếp xúc giữa màng oxid kim
loại và môi trường khí.
• Oxy hấp thụ trên bề mặt màng oxid.
• Oxy hấp phụ bị ion hóa bởi các điện tử
Ohp + 2e  O-2
29

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ

• Phản ứng giữa ion kim loại và ion oxy tạo oxit kim loại.
• Trong các giai đoạn trên thì giai đoạn khuếch tán ion kim
loại và oxy không khí qua màng sẽ quyết định tốc độ phản
ứng ăn mòn. Do đó màng càng dày thì tốc độ phát triển càng
chậm.

30

15


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Màng xốp
 Quy luật phát triển màng xốp:
Bao gồm các giai đoạn sau:
• Chuyển oxy không khí đến bề mặt phân chia kim loại và màng

oxit.
• Hấp phụ oxy lên bề mặt kim loại.
• Phản ứng tạo thành oxid.

31

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Màng xốp

Vì oxy dễ dàng đi xuyên qua bề dày lớp màng (thông qua các
lỗ xốp) nên giai đoạn phản ứng quyết định tốc độ của quá trình
ăn mòn. Tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào chiều dày lớp
màng.

32

16


3/8/2013

II. ĂN MÒN HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ
Màng xốp

33

III. MỘT SỐ VÍ DỤ THỰC TẾ
1. Sự khử carbon của thép

• Khi đốt cháy bề mặt của thép, một thời gian sẽ gây ra sự
khử carbon của thép.
• Nguyên nhân trên giới hạn phân chia giữa oxy và kim loại
sẽ gây ra phản ứng oxi hóa, carbon tạo thành dạng khí.
• Carbon sẽ khuếch tán ra vùng phản ứng và là nghèo
carbon trong thép, gang làm thay đổi cơ tính của thép, gang.
34

17