Nghiên cứu quá trình hoà tan Anốt hợp kim nhôm Silíc

Đ ào tiến hải

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
___________________________________

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: công nghệ hoá học
công nghệ hoá học

Nghiên cứu quá trình hòa tan anốt hợp kim
nhôm-silíc

Đào tiến hải

2004 - 2006
Hà Nội
2006

Hà NéI 2006


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Mục lục
Đề mục

Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục

1

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

3

Danh mục các bảng biểu

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

5

Mở đầu

8

Chương I. Hợp kim Al-Si và các tính chất của nó

11

1.1. Tính chất hóa học

11

1.2. Tính chất cơ lý và ứng dụng

11

1.3. Tính chất điện hóa và ảnh hưởng

14

1.3.1. ảnh hưởng của môi trường

14

1.3.1.1. ảnh hưởng của pH

14

1.3.1.2. ảnh hưởng của nồng độ ôxy hoà tan

15

1.3.1.3. ảnh hưởng của nhiệt độ

16

1.3.2. ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần hợp kim

16

1.4. Sự ăn mòn bơm nước trong hệ thống làm mát

18

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

20

2.1. Tạo mẫu thí nghiệm

20

2.2. Các dung dịch nghiên cứu

20

2.3. Phương pháp nghiên cứu

21
-1-

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

2.3.1. Phép đo đường cong phân cực

22

2.3.2. Phương pháp ngoại suy xác định điện thế ăn mòn và dòng
ăn mòn

24

2.3.3. Phương pháp đo phổ tổng trở

25

2.3.3.1. Nội dung của phương pháp

25

2.3.3.2. Sơ đồ khối của phép đo phổ tổng trở

27

2.3.3.3. Tổng trở của các quá trình điện cực đơn giản

28

2.3.3.4. Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức

30

Chương 3: Kết quả và bàn luận

32

3.1. Phép đo đường cong phân cực

32

3.2. Phép đo phổ tổng trở

62

Kết luận

75

Kiến nghị

76

Tài liệu tham khảo

77

Tóm tắt luận văn bằng tiêng việt và tiếng anh

-2Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

PEG

: Polyethyleneglycol

E corr

:

Điện thế ăn mòn

i corr

:

Dòng ăn mòn

Al-Si

: Hợp kim nhôm-silic

EIS

:

Phổ tổng trở điện hóa

-3Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Danh mục các bảng biểu
Bảng số

Tên bảng

Trang

1.1

Thành phần hoá học của một số hợp kim Al-Si (Silumin)

12

1.2

Cơ tính của một số hợp kim Al-Si

12

Giá trị dòng ăn mòn của hợp kim Al-Si trong môi trường

47

3

trung tính có NaCl nồng độ 1g/l và PEG ở các nồng độ
khác nhau
4

Giá trị dòng ăn mòn của hợp kim Al-Si trong môi trường

59

kiềm pH 11 có chứa NaCl nồng độ 1g/l và PEG ở các
nồng độ khác nhau
5

Tốc độ ăn mòn hợp kim Al-Si tính theo đơn vị (m/năm)

61

trong các dung dịch nghiên cứu.

-4Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình vẽ,
đồ thị số
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.1a
3.1b
3.2a
3.2b
3.3a
3.3b
3.4a
3.4b

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Giản đồ pha của hợp kim Al-Si
Giản đồ E-pH của nhôm
Hình ảnh mô tả sự hình thành vùng nghèo đồng do tiết CuAl 2
Hình ảnh ăn mòn bơm nước trong hệ thống làm mát
Điện cực nghiên cứu
Sơ đồ thực hiện các phép đo
Đồ thị xác định E corr và i corr theo phương pháp ngoại suy

13
15
18
19
20
22
24
26

Đồ thị biểu diễn hình học của Z() trên mặt phẳng phức
Mạch tương đương của một bình điện hóa
Sơ đồ khối của phép đo phổ tổng trở
Mạch tương đương tổng trở Randles
Mạch tương đương của bình điện phân
Biểu diễn phổ tổng trở trên mặt phẳng phức
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong nước cất
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
nước cất dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
PEG nồng độ 5g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong

dung dịch PEG nồng độ 5g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
NaCl nồng độ 1g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch NaCl nồng độ 1g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaCl nồng độ 1g/l vàPEG nồng độ 5g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 5g/l
dạng logarit

26
27
29
30
31
33
34
35
35
37
37
38
39

-5Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải

Luận văn cao học

3.5
3.6
3.7
3.8
3.9a
3.9b
3.10a
3.10b

3.11a
3.11b

3.12a

3.12b

3.13

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 1g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 3g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 7g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 9g/l dạng logarit

Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
NaOH nồng độ 0.1g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch NaOH nồng độ 0.1g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaOH nồng độ 0.1g/l và PEG nồng độ 5g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l và PEG nồng độ 5g/l
dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaOH nồng độ 0.1g/l và NaCl nồng độ 1g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l và NaCl nồng độ
1g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 5g/l và NaCl
nồng độ 1g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 5g/l
và NaCl nồng độ 1g/l dạng logarit
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 1g/l
và NaCl nồng độ 1g/l

45
45
46
46
48
48

49
50

52
53

55

55

57

-6Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

3.14

3.15

3.16

3.17a

3.17b
3.21
3.22

3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28
3.29

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 3g/l
và NaCl nồng độ 1g/l dạng logarit
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 7g/l
và NaCl nồng độ 1g/l
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch gồm NaOH nồng độ 0.1g/l, PEG nồng độ 9g/l
và NaCl nồng độ 1g/l dạng logarit
Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch
gồm PEG nồng độ 5g/l, NaCl nồng độ 1g/l và stearic nồng
độ 0.25g/l, điều chỉnh pH=11 bằng NaOH (dung dịch 9).
Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong
dung dịch 9 dạng logarit
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong nước cất
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch PEG
nồng độ 5g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch NaCl
nồng độ 1g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm

NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 5g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch
NaOH nồng độ 0.1g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm
NaOH nồng độ 0.1g/l và NaCl nồng độ 1g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm
NaOH nồng độ 0.1g/l và PEG nồng độ 5g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm
NaOH nồng ®é 0.1g/l, NaCl nång ®é 1g/l vµ PEG nång ®é 5g/l
Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm
stearic nồng độ 0.25 g/l, NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng
độ 5g/l và điểu chỉnh đến pH=11 bằng NaOH

57

58

58

59

60
63
63
65
66
68
69
70
72

72

-7Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mở đầu
Hiện nay, trên thế giới nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng
rÃi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau từ lĩnh vực liên quan đến
đời sống xà hội của cộng đồng dân cư như xây dựng, công nghiệp thực
phẩm, đồ uống đến những lĩnh vực đòi hỏi kỹ thuật cao như hàng không, vũ
trụ...Ví dụ, đối với hệ hợp kim nhôm dùng để chế tạo chi tiết máy, ở Mỹ
công nghiệp vận tải sử dụng đến 29,2% sản lượng nhôm và hợp kim nhôm
được sản xuất. Các nhà sản xuất ô tô có thiên hướng ngày càng sử dụng hợp
kim nhôm nhiều hơn vì giảm được trọng lượng xe, tiết kiệm được nhiên
liệu...Đặc biệt trong công nghiệp hàng không trọng lượng hợp kim nhôm sử
dụng để chế tạo chiếm đến 80% trọng lượng thân máy bay. Có thể nêu ra ở
đây một số hợp kim điển hình được ứng dụng khá rộng rÃi trong công
nghiệp chế tạo máy và thiết bị: Dura (hợp kim Al-Cu), hợp kim Al-Mn, AlSi, Al-Ti thường được sử dụng dể chế tạo thân vỏ máy bay, thân động cơ
chi tiết máy, hợp kim Al-Mg-Pb, Al-Sn... để chế tạo bạc động cơ. Trong
lĩnh vực khoa học và công nghệ điện hóa các hợp kim, Al-Zn, Al-Mg, AlMg-Zn, được dùng làm anôt hy sinh bảo vệ ăn mòn [1, 2, 3, 4].
Việc nghiên cứu bảo vệ nhôm và hợp kim nhôm khỏi ăn mòn là nhu
cầu cấp thiết vì hậu quả của nó là làm mất tính năng, giảm tuổi thọ của chi
tiết máy, thậm chí có thể phá huỷ toàn bộ thiết bị, làm mất an toàn trong
sản xuất và đời sống. Đây là một thách thức của khoa học và công nghệ.

Ngoài ra thiệt hại to lớn do ăn mòn gây nên không chỉ giới hạn trong chi
phí bảo dưỡng thường xuyên và thay thế vật liệu mà còn phải kể đến những
nguy hại luôn rình rập đe dọa mỗi chúng ta nói riêng và môi trường nói
chung. Theo đánh giá hàng năm của cơ quan phát triển Liên hợp quốc
(UNDP) ở các nước công nghiệp phát triển ăn mòn kim loại làm tổn thất
-8Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

khá lớn nền kinh tế quốc dân, và chiếm khoảng 4,2% tổng sản phẩm quốc
dân [5]. Nước ta có khí hậu nãng, Èm tû lƯ vËt liƯu kim lo¹i sư dơng còn
cao nên thiệt hại do ăn mòn có thể lớn hơn.
Từ lâu trên thế giới đà có nhiều công trình nghiên cứu bảo vệ ăn mòn
cho nhôm và hợp kim nhôm được công bố. Ngày nay với sự phát triển mạnh
mẽ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị và phương pháp nghiên cứu ngày
càng được cải tiến, giúp cho việc nghiên cứu ăn mòn hiệu quả hơn. Phương
pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) là một phương pháp nghiên cứu hiện đại
đang được sử dụng phổ biến để nghiên cứu các hệ điện hóa nói chung và ăn
mòn nói riêng. Ví dụ như: nhờ phương pháp EIS, John R.Scully và các cộng
sự [6] nghiên cứu đặc điểm ăn mòn của Al, hợp kim Al-Cu, Al-Si trong
dung dịch có chứa HF nồng độ khác nhau, đưa ra mô hình mạch tương
đương của hệ, F.Mansfeld và cộng sự nghiên cứu, điều khiển được quá trình
ăn mòn cục bộ Al, hợp kim nhôm trong dung dịch NaCl [7]...
Tuy nhiên ở nước ta việc nghiên cứu quá trình ăn mòn nhôm và hợp
kim nhôm không nhiều và có lẽ tập trung chủ yếu ở Học viện khoa học kỹ

thuật không quân, tiêu biểu là đề tài bảo vệ thân máy bay khỏi ăn mòn, và ở
Học viện kỹ thuật quân sự nghiên cứu bảo quản kíp nổ vỏ nhôm khỏi ăn
mòn.
Trong công nghiệp chế tạo, hợp kim Al-Si được sử dụng khá nhiều để
chế tạo các chi tiết như: piston động cơ, thân bơm nước làm mát xe tải hạng
nặng... Đây là những chi tiết có khả năng chịu mài mòn, cơ tính thích hợp
dễ đúc...tuy nhiên hay hỏng, đặc biệt là thân bơm nước sử dụng trong xe tải
hạng nặng ở mỏ than rất nhanh hỏng do ăn mòn và bào mòn dẫn đến làm
giảm đáng kể tuổi thọ động cơ. Để có thể góp phần hạn chế ăn mòn thân
bơm trong hệ thống làm mát được chế tạo từ hợp kim Al-Si chúng tôi thực
hiện đề tài Nghiên cứu quá trình hòa tan anot hợp kim Al-Si với mục đích
nghiên cứu xác định nguyên nhân ăn mòn hợp kim Al-Si được lấy từ một
-9Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

thân bơm nước bị phá hủy do ăn mòn. Từ việc xác định được nguyên nhân
ăn mòn của hợp kim Al-Si sẽ giúp chúng tôi tìm được các phương pháp bảo
vệ ăn mòn hữu hiệu cho các thiết bị. Trong thực tế chúng tôi chế tạo được
dung dịch nước làm mát động cơ bằng cách đưa thêm vào một số chất phụ
gia ức chế ăn mòn giúp giảm thiểu đến mức tối đa khả năng bị ăn mòn bơm
nước, kéo dài tuổi thọ của hệ thống làm mát động cơ, ổn định công suất
hoạt động.

- 10 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Chương I: Hợp kim Al-Si và các tính chất của nó
1.1. Tính chất hóa học [8]
Hợp kim Al-Si còn gọi là Silumin có thành phần chính là Al và
nguyên tố hợp kim chính là Si. Ngoài ra để nâng cao tính chất cơ lý của hợp
kim người ta thường đưa vào các nguyên tố hợp kim khác như: Cu, Mg,
Zn... Với thành phần chính là Al nên tính chất hóa học của hợp kim Al-Si
tương tự như tính chất hóa học của Al
- Al dễ dàng tác dụng với phi kim lo¹i nh­ O 2 , Cl 2 ... ngay ë nhiệt độ
thường
4Al + 3O 2

2Al 2 O 3

Do đó trên bề mặt nhôm và hợp kim nhôm luôn có một màng mỏng
ôxit Al 2 O 3 , điều này giúp cho nhôm và hợp kim nhôm bền trong môi
trường nước.
- Trong m«i tr­êng axit nh­ H 2 SO 4 lo·ng, HCl loÃng, và các axit có
tính ôxy hóa mạnh như HNO 3 đặc nóng, H 2 SO 4 đặc nóng, HNO 3
loÃng Al dễ bị hòa tan
2Al +

6 H+

2Al3+

+ 3H 2

Tuy nhiên Al bị thụ động trong HNO 3 đặc nguội và H 2 SO 4 đặc nguội.
- Al và hợp kim Al bị ăn mòn mạnh trong môi trường kiỊm theo ph¶n øng
2Al + 2OH- + 2H 2 O

2AlO 2 - + 3H 2

1.2, Tính chất cơ lý và ứng dụng [9, 10, 11]
Hợp kim nhôm silíc (Al Si) là hợp kim nhôm có độ dÃn nở
nhiệt rất thấp, dễ đúc, dễ điền đầy rất thích hợp để chế tạo các chi tiết
máy. Tính chất cơ lý của hợp kim Al-Si như độ bền, độ dẻo... phụ thuộc
nhiều vào thành phần các nguyên tố hợp kim đưa vào và công nghệ chế
- 11 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

tạo. Thành phần hóa học của một số hợp kim Al-Si và cơ tính của nó có
trong bảng 1.1 và 1.2
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số hợp kim Al-Si (Silumin)

Mg

AK12(A12)

Si
11,5

Hàm lượng %
Mn
Ni

AK9(A4)

9,25

0,24

0,35

AK7(A4)
AK5M
AK8
AK12M2
AK21M2

7,0
5,0
7,5
11,5
21,0

0,3
0,47
0,45
1,05
0,35

Hợp kim

Cu

Khác

1,25
0,45
0,3

1,05
2,5

2,25
2,6

Bảng 1.2: Cơ tính của một số hợp kim Al-Si

b

0,2

Hợp
kim

(Mpa)

(Mpa)

(%)

AK12

280

80

7

AK9

260

200

4

AK7

200

110

6

AK5M

200

180

1

AK8

330

280

3

AK12M

200

-1

(Mpa)
42

40

Phương pháp đúc và
nhiệt luyện
Đúc khuôn cát sau khi
biến tính
Đúc khuôn cát, tôi và hóa
già nhân tạo
Đúc khuôn cát, tôi và hóa
già nhân tạo
Đúc khuôn cát, tôi và hóa
già nhân tạo
Đúc khuôn cát, tôi và hóa
già nhân tạo
Đúc khuôn cát, tôi và hóa
già nhân tạo

- 12 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Hợp kim Al-Si rất nhẹ vì Al có khối lượng riêng d = 2.7 g/cm3, Si là
nguyên tố hợp kim chính nhẹ hơn Al nên hợp kim Al-Si được ứng dụng
công nghiệp kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ, chế tạo ô tô để làm giảm
trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu...
Si có độ chảy loÃng cao, co ngót ít, tính điền đầy tốt nên hợp kim
Al-Si có tính đúc rất tốt. Chính vì thế chúng thường dùng để đúc các chi tiết

lớn và trung bình như vỏ máy nén, đầu xi lanh, bầu máy, động cơ máy bay,
tàu thủy...
Giống như Al hợp kim Al-Si cũng có tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt
nên có thể dùng làm các thiết bị trao đổi nhiệt trong công nghiệp.
Hợp kim Al-Si khi đưa thêm vào một số nguyên tố như Mg, Cu... có
độ bỊn nãng cao, hƯ sè d·n në nhiƯt nhá, tÝnh đúc tốt được ứng dụng rộng
rÃi để chế tạo các loại piston của động cơ đốt trong.
Tạp chất có hại cho cơ tính của hợp kim Al-Si là Fe. Sự có mặt của Fe có
thể tạo pha (Al-Si-Fe) kết tinh ở dạng tấm, giòn làm giảm độ dẻo của hợp
kim.
1412

1400

1200

1000

800
660
600
400
al
1,65

577

20

40

60

80

s

Hình1.1: Giản đồ pha của hợp kim Al-Si

- 13 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

1.3, Tính chất điện hóa [5, 12]
1.3.2, ảnh hưởng của môi trường
ở điều kiện bình thường nhôm và hợp kim nhôm luôn có một lớp
màng ôxyt bao phủ bên ngoài nên chúng bền trong một số môi trường có
tính ăn mòn. Tuy nhiên vì lý do nào đó lớp màng ôxyt này mất đi, Al và
hợp kim nhôm dễ dàng bị ăn mòn.
Al bị ăn mòn theo phản ứng
Al3+ + 3e

Al

Tùy theo môi trường quá trình catốt có thể là quá trình khử phân cực H 2

hoặc O 2
Quá trình ăn mòn với sự khử phân cực H 2 :
2H+ + 2e

- Trong m«i tr­êng axit:
- Trong m«i tr­êng trung tÝnh hoặc kiềm:

H2

2H 2 O + 2e

H2 +

2OHQuá trình ăn mòn víi sù khư ph©n cùc O 2 :
O 2 + 4H+ + 4e

2H 2 O

- Trong m«i tr­êng trung tÝnh hc kiỊm: O 2 + 2H 2 O + 4e

4OH-

- Trong môi trường axit:

Qua các phản ứng ta thấy các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn nhôm
và hợp kim nhôm trong các môi trường khác nhau là: pH, nồng độ O 2 hòa
tan, nhiệt độ.
1.3.2.1 ảnh hưởng của pH
Điện thế của phản ứng catốt khử H+ hoặc O 2 phụ thuộc vào pH của
môi trường. Ví dụ:

2H+ + 2e

H2

ϕ cb (2H+/H 2 ) = - 0.059pH – 0.03lg[P H2 ]
Khi P H2 = 1 atm th×

ϕ cb (2H+/H 2 ) = - 0.059 pH
- 14 -

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

4OH-

O 2 + 2H 2 O + 4e
ϕ cb (O 2 /OH-) = 1.23 – 0.059pH + 0.15lg[P O2 ]

ϕ cb (O 2 /OH-) = 1.23- 0.059pH

Khi P O2 = 1atm thì

Như vậy khi pH thay đổi điện thế của phản ứng catốt thay đổi dẫn đến thay
đổi vận tốc ăn mòn và độ bền nhiệt động với ăn mòn kim loại.

1.2
0.8
0.4
0

ăn mòn

thụ động

ăn mòn

-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
-2.4
-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Hình1.2: Giản đồ E-pH của nhôm
1.3.2.2 ảnh hưởng của nồng độ O 2 hòa tan
Khi quá trình ăn mòn xảy ra với sự khử phân cực O 2
O 2 + 4H+ + 4e

2H 2 O
4OH-

O 2 + 2H 2 O + 4e

Thì tốc độ ăn mòn sẽ phụ thuộc vào nồng độ O 2 hòa tan. Khi nồng độ O 2
hòa tan tăng thì tốc độ ăn mòn tăng vì:
i O2 gh = - 4F.

D
. C O2
X

D hệ số khuyếch tán

(cm/s)

X chiều dày lớp khuyếch tán

(cm)

C O2 nồng độ O 2 hòa tan

(mol/cm3)

- 15 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

1.3.2.3. ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ của hầu hết các phản ứng hóa học bao
gồm cả tốc độ của quá trình ăn mòn vì theo phương trình Arrhenius tốc độ
của phản ứng [13]:
Ea

k = A.e RT

Trong đó: Ea năng lượng hoạt động hóa Arrhenius
A hằng số tác dụng
R hằng số khí
T nhiệt độ Kelvin
Sự tăng này còn phụ thuộc vào điều kiện của môi trường mà ở đó
phản ứng ăn mòn nhôm xảy ra chẳng hạn như: áp suất, thành phần dung

dịch, chế độ chuyển động. ăn mòn với quá trình catốt là sự khử phân cực H 2
thì tốc độ ăn mòn tăng theo nhiệt độ vì quá thế H 2 giảm khi nhiệt độ tăng.
Quá trình ăn mòn với sự khử phân cực O 2 thì khi tăng nhiệt độ tốc độ ăn
mòn tăng vì sự khuyếch tán tăng, tuy nhiên tới một giới hạn nhiệt độ nào
đó, do nồng độ O 2 hòa tan giảm nên tốc độ ăn mòn với sự khử phân cực của
O 2 có thể giảm. Trong một số trường hợp do thành phần của môi trường có
chứa một số chất ôxi hóa mạnh như KClO 3 , K 2 CrO 4 ... tốc độ ăn mòn sẽ bị
kìm hÃm do hình thành màng ôxit trên bề mặt nhôm và hợp kim nhôm.
1.3.1, ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần [5, 9, 10, 11]
- Al là kim loại có điện thế rất âm (0Al3+/Al = -1.67V so với điện
cực hyđro tiêu chuẩn), năng lượng tự do tiêu chuẩn G 0 = nFE 0 rất dương
nên khả năng ăn mòn rất lớn. Tuy nhiên thực tế nhôm và hợp kim nhôm rất
bền trong nhiều môi trường: trong môi trường khí có chứa ôxy do tạo thành
màng ôxít Al 2 O 3 mỏng sít chặt, trong dung dịch nước rất dễ bị thụ động.
Đặc tính này được đặc trưng bởi dạng đường cong thụ động của Al trong
- 16 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến H¶i


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

quá trình phân cực anốt. Sản phẩm của quá trình phân cực anốt phụ thuộc
rất nhiều vào giá trị pH của môi trường điện ly. Điều này có thế thấy ở trên
giản đồ E-pH nên khi tiếp xúc với kim loại hoặc hợp kim khác có điện thế
dương hơn trong cùng một môi trường điện ly rất dễ xảy ra hiện tượng ăn
mòn galvanic. Vì vậy hợp kim một pha thường bền ăn mòn hơn hợp kim đa
pha.

- Hợp kim Al-Si thường được đưa thêm vào một số nguyên tố như
Mg, Cu... để cải thiện cơ tính, tuy nhiên khi đưa thêm vào các nguyên tố đó
sẽ hình thành trong hợp kim mét sè pha míi. VÝ dơ nh­ khi ®­a đồng thời
Mg, Cu vào trong hợp kim Al-Si xuất hiện thêm các pha Al x Mg 5 Cu 4 Si 4 ,
CuAl 2 , MgSi 2 hc khi cã Fe tuy Fe hầu như không tan trong Al nhưng tạo
với Al hợp chất liên kim loại là Al 3 Fe... Chính những pha mới này có điện
thế chênh lệch với Al khá lớn nên hình thành các cặp pin ăn mòn galvanic
trong đó Al có điện thế âm nhất đóng vai trò là anốt và bị ăn mòn.
- Ngoài ra do thực hiện công nghệ chế tạo và hóa bền khác nhau như
đúc, nhiệt luyện... có thể làm cho tổ chức trong hợp kim khác nhau. Trong
tổ chức của hợp kim xuất hiện các khuyết tật mạng như sai lệch mạng, lệch,
vùng biên giới hạt tinh thể, kích thước hạt... do các yếu này mà trong hợp
kim xuất hiện các vùng có hoạt tính, tính chất khác nhau, những khu vực có
hoạt tính cao hơn dễ bị ăn mòn hơn. Khi được nung nóng rồi làm nguội hợp
kim nhôm dễ tiết các pha liên kim loại ở vùng biên giới hạt gây nên hiện
tượng ăn mòn tinh giới (dạng ăn mòn xảy ra ở tinh giới hoặc lân cận tinh
giới hạt tinh thể) do pha liên kim loại có sự chênh lệch điện thế với Al hoặc
các vùng pha khác tồn tại trong hợp kim. Ví dụ hợp kim Dura (94% Al, 4%
Cu, 2% Mg, Si, Mn) hiƯn t­ỵng tiÕt pha CuAl 2 xảy ra khi đúc, khi nhiệt
luyện. Giữa Cu và Al có thế điện cực tiêu chuẩn rất kh¸c nhau (ϕ0Cu2+/Cu =
+0.34 V, ϕ0Al3+/Al= -1.67V), khi tiÕt pha giàu đồng (CuAl 2 chứa 54% Cu)
ở biên giới hạt tinh thể lấy đi Cu ở vùng lân cận làm xuất hiện vùng nghèo
- 17 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cu. Vùng CuAl 2 giàu Cu có điện thế pha dương hơn giữ vai trò làm catốt,
vùng nghèo Cu có điện thế pha thấp hơn giữ vai trò làm anôt tạo thành cặp
pin ăn mòn galvanic.

Hình 1.3: Hình ảnh mô tả sự hình thành vùng nghèo đồng do tiết CuAl 2 .
1.4, Sự ăn mòn thân bơm nước trong hệ thống làm mát động cơ xe tải
hạng nặng.
Trong hệ thống làm mát, bơm là bộ phận với điều kiện khắc nghiệt và
dễ bị tác động ăn mòn nhất. Cánh bơm liên tục quay với tốc độ cao để đưa
dung dịch làm mát tới các bộ phận cần làm mát của động cơ như buồng nổ,
xy lanh, thân động cơ, vì vậy buồng bơm, cánh bơm sẽ chịu va đập với tốc
độ lớn.
Đặc biệt khi dung dịch nước làm mát có chứa các hạt keo lơ lửng, hay
các hạt keo đà kết tủa, cặn lắng, sự phá hủy cánh bơm, buồng bơm diễn ra
nhanh hơn do sự bào mòn cơ học, va đập. Ngoài ra cặn lắng bao phủ lên bề
mặt kim loại làm giảm sự dẫn nhiệt và khả năng hấp thụ nhiệt của nước làm
- 18 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Luận văn cao học

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

mát dẫn đến nhiệt độ của hệ thống tăng. Khi nhiệt độ tăng thúc đẩy hầu hết
các phản ứng hóa học trong đó có cả các phản ứng hòa tan, ăn mòn kim loại.
Mặt khác, trong bơm áp suất pha lỏng thay đổi liên tục tạo điều kiện
hình thành các bọt khí. Bọt khí hình thành nổ, vỡ liên tục có thể tạo lỗ, phá

hủy lớp màng bảo vệ trên bề mặt kim loại làm thúc đẩy quá trình ăn mòn
trên bề mặt kim loại. Bọt khí sinh ra còn ảnh hưởng tới khả năng chu
chuyển của chất lỏng, bọt khí tạo ra nhiều sẽ ngăn cản quá trình hấp thụ
nhiệt của nước làm mát và làm tăng nhiệt độ của hệ thống.
Đặc biệt, các bộ phận trong bơm, do yêu cầu của các đặc tính cơ học
nên phải làm từ các hợp kim khác nhau, có điện thế khác nhau khi tiếp xúc
trong cùng môi trường điện ly là nước làm mát sẽ có hiện tượng ăn mòn
galvanic, bộ phận có điện thế âm hơn đóng vai trò làm anôt và bị ăn mòn.
Thân bơm được làm từ hợp kim Al-Si có điện thế âm nhất nên dễ bị ăn mòn.

Hình 1.4: Hình ảnh ăn mòn bơm nước trong hệ thống làm mát
- 19 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Chương II: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.1, Tạo mẫu thí nghiệm
Điện cực nghiên cứu là hợp kim Al-Si có kích thước 10 x 10 x 20 mm
được cắt ra từ thân bơm trong hệ thống làm mát động cơ xe tải hạng nặng.
Điện cực được nối với một dây đồng để dẫn điện. Chỗ nối và các mặt của
điện cực được phủ epoxy có tác dụng cách điện, trừ một mặt 10 x 10 mm
dùng làm bề mặt nghiên cứu.
Trước các phép đo điện hóa, bề mặt điện cực được làm sạch bằng giấy ráp
mịn cỡ 1200- 1500 sau đó rửa sạch bằng nước, nước cất trong môi trường
siêu âm để loại bỏ các tạp chất bẩn bám trên điện cực.

Hình 2.1: Hình ảnh điện cực nghiên cứu
2.2, Dung dịch nghiên cứu
Các hóa chất sử dụng cho quá trình nghiên cứu bao gồm:
- H 2 O cất hai lần
- NaCl, NaOH tinh khiÕt cña Trung Quèc
- PEG 2000(polyethylen glycol), axit stearic tinh khiết của Đức.
Các dung dịch nghiên cứu sử dụng H 2 O cất hai lần để pha. Dung dịch
nghiên cứu bao gồm:
- 20 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

- Dung dịch 1: H 2 O cất hai lần
- Dung dịch 2: dung dịch PEG nồng độ 5g/l
- Dung dịch 3: NaCl nồng độ 1g/l
- Dung dịch 4: chứa NaCl nồng độ 1g/l và PEG nồng độ 5g/l
- Dung dịch 5: NaOH nồng độ 0.1g/l
- Dung dịch 6: chứa NaOH nồng độ 0.1 g/l và PEG nồng độ 5g/l
- Dung dịch 7: chứa NaOH nồng độ 0.1g/l và NaCl nồng ®é 1g/l
- Dung dÞch 8: chøa NaOH nång ®é 0.1g/l, PEG nồng độ 5g/l và NaCl
nồng độ 1g/l.
- Dung dịch 9: chøa PEG nång ®é 5g/l, NaCl nång ®é 1g/l và stearic
nồng độ 0.25g/l. Điều chỉnh pH của dung dịch bằng dung dịch NaOH
để đạt pH=11.

2.3, Phương pháp nghiên cứu [5, 14, 15]
Các phương pháp nghiên cứu được thực hiện với bình điện hóa 3 điện
cực, trong đó điện cực nghiên cứu là điện cực hợp kim Al-Si, điện cực so
sánh là điện cực Ag/AgCl-KCl bÃo hòa, điện cực đối là điện cực Pt. Bình đo
điện hóa 3 điện cực được kết nối với máy IM6-ex của hÃng Zahner Elektrik
- Đức chứa các phần mềm đo phổ tổng trở EIS, đo đường cong phân cực CV, đo I-E, và các phần mềm xử lý số liệu...

- 21 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

Potentiostat

1

3

2

Hình 2.2: Sơ đồ thực hiện các phép đo
1. Điện cực nghiên cứu
2. Điện cực đối
3. Điện cực so sánh

2.3.1, Đo đường cong phân cực

Phép đo đường cong phân cực được dựa trên phương trình cơ bản của
động học phản ứng điện cực:
- 22 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

O X + ne
i = i0 [

R

s
C Ox
C Rs
nf
−
−
α
η
exp(
)
exp(1 − α )nf ]
o
C Ox
C Ro

(2.1)

Trong đó:
- i 0 là mật độ dòng trao đổi
- là hệ số chuyển điện tích
- n là số e tham gia phản ứng điện cực
- f=

F
= const víi F=96500, R lµ h»ng sè khÝ, T là nhiệt độ Kenvil
RT

- = E E cb
- Cs O , Cs R là nồng độ dạng oxi hóa và dạng khử tại bề mặt điện cực ở
trạng thái cân bằng ứng với điện thế E .
- C0 O , C0 R là nồng độ của dạng oxi hóa và dạng khử tại điều kiện cân
bằng ứng với ®iƯn thÕ E cb
Ta cã thĨ ®o ®iƯn thÕ ®iƯn cực tại các giá tri mật độ dòng i khác nhau hoặc
đo mật độ dòng i theo điện thế, với mỗi giá trị i ta có một giá E tương ứng.
Phương pháp đo điện thế điện cực E theo dòng điện một chiều có mật độ
dòng i không đổi đi qua điện cực nghiên cứu gọi là phương pháp
galvanostatic (đo đường cong phân cực theo phương pháp dòng tĩnh).
Phương pháp đo giá trị mật độ dòng i theo các giá trị điện thế khác nhau áp
lên điện cực nghiên cứu gọi là phương pháp potentiostatic (đo đường cong
phân cực theo phương pháp thế tĩnh).
Từ đó vẽ được đồ thị mô tả mối quan hệ i-E. Qua đồ thị vẽ được có thể dự
đoán một số tính chất động học của quá trình điện cực.

- 23 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào Tiến Hải


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn cao học

2.3.2, Phương pháp ngoại suy [14]
Phương pháp này dựa trên cơ sở lý thuyết là khi phân cực mạnh về
vùng catốt hay anốt thì ta có thể chỉ giữ lại số lượng đặc trưng cho quá trình
catốt hay anốt trong phương trình động học của quá trình điện cực. Đây là
quan hệ hàm mũ giữa dòng và thế nên vấn đề sẽ đơn giản hơn khi xây dựng
quan hệ
E lgi, mét quan hƯ tun tÝnh thn lỵi cho viƯc tÝnh toán.
- Quy trình của phương pháp ngoại suy
+ Phân cực Anôt hay katốt thường là phân cực cả anôt và katốt
+ Từ đó xây dựng đồ thị đường cong phân cực E-lgi.
+ Xác định điện thế ăn mòn E corr
+ Ngoại suy một phần của đường cong phân cực đến E corr ta xác định
được i corr
Ngoại suy có thể tiến hành được chính xác khi đường cong phân cực
đo được có một phần là thẳng. Nếu trên đồ thị có một phần của đường
cong phân cực (đường anốt, đường catốt hoặc cả hai) là đường thẳng thì
kéo dài phần đường thẳng này cắt đường thẳng được gióng từ giá trị E corr
song song với trục lgi tại điểm I. Từ điểm I gióng xuống trục lgi ta sẽ xác
định được i corr .
Hình vẽ:

e

Hình 2.3: Đồ thị xác định E corr và i corr theo phương pháp ngoại suy
- 24 Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại

Đào TiÕn H¶i