Đồ án tốt nghiệp khảo sát tính chất và khả năng bảo vệ của lớp kẽm nhúng nóng trên nền thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG BẢO VỆ CỦA LỚP KẼM NHÚNG NÓNG TRÊN NỀN THÉP ĐINH NGỌC BÁCH Bach.dn140297@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật hóa học Chun ngành Cơng nghệ điện hóa bảo vệ kim loại Giảng viên hướng dẫn: PGS TS HỒNG THỊ BÍCH THỦY Chữ ký GVHD Bộ mơn: Cơng nghệ điện hóa bảo vệ kim loại Viện: Kĩ thuật hóa học HÀ NỘI, 2/2022 TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI Viện Kỹ thuật Hóa học o0o CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Đinh Ngọc Bách Số hiệu sinh viên : 20140297 Lớp : KTHH : Khóa 59 Chuyên ngành : Kĩ thuật hóa học Chun sâu : Cơng nghệ điện hóa Bảo vệ kim loại Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Hồng Thị Bích Thuỷ 1: Tên đề tài tốt nghiệp: Khảo sát tính chất khả bảo vệ lớp kẽm nhúng nóng thép 2: Nội dung phần thuyết minh: - Chương : Tổng quan - Chương : Thực nghiệm - Chương : Kết thảo luận - Chương : Kết luận 3: Ngày giao nhiệm vụ : 05/10/2021 4: Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 11/03/2022 Ngày 11 tháng 03 năm 2021 TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Lời cho em gửi lời cảm ơn chân thành lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồng Thị Bích Thủy, người dẫn dắt em dạy bảo em nhiều kiến thức để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Tiếp đến cho em gửi lời cảm ơn tới thầy cô môn Công nghệ Điện hóa Bảo Vệ kim loại trường đại học bách khoa hà nội bạn sinh viên tạo điều kiện để giúp em xây dựng hồn thành báo cáo cách tốt Trong đợt kì làm tốt nghiệp vừa qua môn, em rèn luyện, thực hành kiến thức học, tiếp thu thêm nhiều kiến thức không mặt kĩ thuật mà kĩ làm việc nhóm để giúp ích cho em làm việc sau dễ dàng thuận tiện Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, với bước đầu thực tập thực tế, kiến thức kĩ eo hạn hẹp nên em tránh khỏi thiếu sót sai lầm, em mong thầy bỏ qua thông cảm cho em Lời cuối em xin chúc thầy cô dồi sức khỏe, ln giữ lịng nhiệt huyết cho lứa sinh viên sau để sau có người kĩ sư, cử nhân xuất sắc mặt chun mơn mà cịn cơng dân tốt, đạo đức tốt để xây dựng đất nước ngày phát triển, văn minh TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Mục tiêu em đồ án đánh giá khả bảo vệ khảo sát tính chất lớp kẽm nhúng nóng thép mơi trường dung dịch NaCl Na2SO4 Để hoàn thành mục tiêu đề ra, đồ án em dùng phương pháp điện trở phân cực dùng để khảo sát thay đổi tốc độ ăn mịn điện hố, phương pháp tổng trở điện hoá sử dụng để khảo sát thay đổi điện trở chuyển điện tích lớp mạ kẽm thép môi trường dung dịch theo thời gian Phương pháp quang phổ phát xạ (OES) phương pháp tán xạ tia X (EDX) sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố lớp mạ kẽm sản phẩm ăn mòn lớp mạ kẽm thép Sinh viên thực MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ KẼM 1.1.GIỚI THIỆU VỀ KẼM 1.1.1.Các tính chất vật lý hóa học kẽm: 1.1.2.Các ứng dụng kẽm: 1.2.GIỚI THIỆU VỀ MẠ KẼM NHÚNG NÓNG: 1.2.1.Tổng quan lịch sử đời mạ kẽm nhúng nóng: 1.2.2.Tổng quan cơng nghệ mạ kẽm: 1.2.3.Tổng quan mạ kẽm nhúng nóng: 1.2.4 Quy trình sản xuất mạ kẽm nhúng nóng: 1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất mạ kẽm nhúng nóng: 1.3.GIỚI THIỆU VỀ CƠ CHẾ BẢO VỆ CỦA LỚP KẼM NHÚNG NÓNG TRÊN NỀN THÉP: 10 1.3.1.Ăn mịn thép mơi trường : 10 1.3.2 Ăn mòn thép mạ kẽm nhúng nóng mơi trường : 11 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 13 2.1 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 13 2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 13 2.1.2 Xử Lý mẫu 13 2.2.MƠ TẢ THÍ NGHIỆM 14 2.2.1 Đánh giá ngoại quan lớp phủ mạ kẽm trước sau ngâm môi trường dung dịch .14 2.2.2 Khảo sát thay đổi tốc độ ăn mịn điện hóa thép mạ kẽm mẫu dung dịch theo thời gian .15 2.3.CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.3.1 Phương pháp quan sát bề mặt 15 2.3.2 Phương pháp đo điện hóa 16 2.3.2.1 Phương pháp đo tổng trở điện hóa (EIS): 16 2.3.2.2 Phương pháp điện trở phân cực: 17 2.3.3 Phương pháp đo độ cứng tế vi .19 2.3.4 Phương pháp phổ tán xạ X ( EDX) 20 2.3.5 Phương pháp phun mù muối 21 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .23 3.1.Tính chất thành phần lớp phủ kẽm thép 23 3.2 Khảo sát thay đổi điện ăn mịn lớp phủ kẽm nhúng nóng 24 3.3 Khảo sát thay đổi tốc độ ăn mịn điện hóa lớp phủ kẽm theo thời gian 25 3.3.1 Phương pháp điện trở phân cực .25 3.3.2 Phương pháp tổng trở điện hóa 26 3.3.3 Đánh giá thay đổi bề mặt lớp phủ kẽm theo thời gian .28 3.4 Phương pháp đo đường cong phân cực .29 3.5 Phương pháp phun mù muối 30 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mạ kẽm kim loại để chống ăn mịn cho thép .1 Hình 1.3: Quy trình xử lý bề mặt trước đưa thép vào mạ Hình 1.4: Hình ảnh vật liệu thép trước sau bị gỉ .11 Hình 2.1: Hình ảnh mẫu thép mạ kẽm nhúng nóng sau xử lý .14 Hình 2.2: Sơ đồ hệ đo phương pháp EIS LPR 15 Hình 2.3 Biểu diễn phổ phổ tổng trở mặt ph™ng phức – phổ Nyquist 17 22 Hình 2.4: Khoang phun mù muối 22 Hình 3.1: Các vị trí phân tích EDX lớp mạ phổ phân tích tương ứng với vị trí 001 002 23 Hình 3.2 Sự thay đổi điện ăn mịn điện hóa lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng mặt A mặt B môi trường NaCl (3,5%) theo thời gian 24 Hình 3.3 Sự thay đổi điện ăn mịn điện hóa lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng mẫu mặt A mặt B môi trường Na2SO4 (0,5M) theo thời gian 24 Hình 3.4 Sự thay đổi điện trở phân cực lớp phủ mạ kẽm mặt A mặt B môi trường Na2SO4 theo thời gian 25 Hình 3.5 Sự thay đổi điện trở phân cực lớp mạ kẽm mặt A mặt B môi trường NaCl theo thời gian 26 Hình 3.6 Phổ Nyquist lớp phủ mạ kẽm môi trường Na 2SO4 (0,5M) theo thời gian 27 Hình 3.7 Phổ Nyquist lớp phủ mạ kẽm môi trường NaCl (3,5%) theo thời gian 27 Hình 3.8 Hình ảnh lớp mạ kẽm trước ngâm 02 tuần dung dịch NaCl (3,5%) va Na2SO4 (0,5M) 28 Hình 3.9 Hình ảnh lớp mạ kẽm sau ngâm 02 tuần dung dịch NaCl (3,5%) va Na2SO4 (0,5M)\ 28 Hình 3.10 Đường cong phân cực lớp mạ kẽm môi trường NaCl (3,5%) 29 Hình 3.11 Đường cong phân cực lớp mạ kẽm môi trường Na2SO4 (0,5M) 30 Hình 3.12 Hình ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 0h 31 Hình 3.13 Hình ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 4h 24 31 Hình 3.14 Hình ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 48h 72 32 Hình 3.15 Hình ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 96h 144 32 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thiết bị, dụng cụ .13 Bảng 3.1: Thành phần hóa học lớp mạ, % khối lượng 23 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ KẼM 1.1.GIỚI THIỆU VỀ KẼM 1.1.1.Các tính chất vật lý hóa học kẽm: Kẽm nguyên tố kim loại phổ biến sản xuất công nghiệp, y học nhiều mảng khác đời sống Kẽm nguyên tố kim loại chuyển tiếp có tính chất hóa học tương đối giống với Magie Kẽm có kí hiệu Zn có số ngun tử 30, kim loại phổ biến thứ 24 vỏ trái đất Kẽm nguyên chất có màu trắng xanh lam nhẹ óng ánh nghịch từ Đây kim loại cứng, giịn nhiệt độ bình thường Trở nên dẻo dai nhiệt độ từ 100 đến 1500C giòn trở lại nhiệt độ đạt 2000C Kẽm có khối lượng riêng 7,13 g/cm3 Khối lượng nguyên tử 65,37 Nhiệt độ nóng chảy 419,50C nhiệt độ sôi 9060C So với loại kim loại khác, kẽm có điểm sơi nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp Kẽm loại kim loại có khả oxy hóa mạnh Ở điều kiện thường, kẽm bị oxy hóa khơng khí hình thành lớp oxit bền vững để ngăn khơng cho q trình oxy hóa tiếp tục xảy Vì mà chúng thường dùng để tráng lên sắt tấm, ống, dây, thanh… nhằm tăng khả chống ăn mòn kim loại H$nh 1.1: Mạ kẽm kim loại để chống ăn mịn cho thép Phương pháp thí nghiệm phun mù muối biết phổ biến quy trình thí nghiệm tốn kém, nhanh chóng chuẩn hóa lặp lại Tuy nhiên ăn mịn qua trình phức tạp bị ảnh hưởng nhiều yếu tố bên phương pháp thường dùng để biết tương quan kết thí nghiệm phịng thí nghiệm kết thực nghiệm thực tế Ngày nay, thí nghiệm phun mù muối sử dụng rộng rãi lĩnh vực cơng nghiệp cho mục đích đánh giá khả chống ăn mòn bề mặt vật liệu hay kết cấu Và người ta cải thiện tương quan cách mà ăn mịn diễn thực tế cách mà diễn phịng thí nghiệm, thiết bị quy trình thực nghiệm theo chu kì phát triển gần giống với thực tế ASTM B117 tiêu chuẩn thực nghiệm dùng cho thí nghiệm phun mù muối mà điều kiện mơi trường ăn mịn chuẩn hóa xác lập cố định Trong đồ án này, quy trình ASTM B117 thực để đánh giá khả thu thập thông tin cách tương đối khả chịu đựng ăn mịn lớp mạ kẽm nhúng nóng thép mơi trường ăn mịn tiêu chuẩn giả lập Quy trình thí nghiệm thực tủ thiết bị thử nghiệm ăn mòn Q-FOGCCT600, dung dịch tạo mù muối có mức độ pH mức 6.5 đến 7.2 nồng độ muối NaCl 5% khối lượng 21 H$nh 2.4: Khoang phun mù muối 22 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Tính chất thành phần lớp phủ kẽm thép Cấu trúc tế vi thành phần nguyên tố bề mặt mẫu đươc phân tích máy SEM Để biết ngun nhân gây ăn mịn lớp mạ kẽm nhúng nóng hai dung dịch chuẩn bị sẵn, mẫu mạ kẽm nhúng nóng đem phân tích thành phần phương pháp phổ tán xạ tia X (EDX) Hình ảnh mẫu đem phân tích EDX đươc thể hình 3.1 H$nh 3.1: Các vị trí phân tích EDX lớp mạ phổ phân tích tương ứng với vị trí 001 002 Bảng 3.1: Thành phần hóa học lớp mạ, % khối lượng Vùng 001 002 003 004- Al Cl Fe 3.89 4.09 4.7 89.83 0.49 0.91 Zn Tổng 96.11 95.42 95.3 9.26 100 100 100 100 Từ kết thử nghiệm kính hiển vi điện tử qt thấy hình thái mặt cắt ngang lớp phủ kẽm nhúng nóng Cũng biết thành phần 23 hóa học lớp mạ chủ yếu kẽm chiếm phần trăm khối lượng lớn tầm 95% Phần lớp lớp mạ thép có sắt chiếm phần lớn khối lượng Lớp mạ kẽm mặt A B có thành phần hóa học tương đồng 3.2 Khảo sát thay đổi điện ăn mòn lớp phủ kẽm nhúng nóng Theo dõi thay đổi điện ăn mòn lớp phủ kẽm mặt A mặt B dung dịch tuần ta kết hình 3.3 3.4 H$nh 3.2 Sự thay đổi điện ăn mịn điện hóa lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng mặt A mặt B môi trường NaCl (3,5%) theo thời gian H$nh 3.3 Sự thay đổi điện ăn mịn điện hóa lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng mẫu mặt A mặt B môi trường Na2SO4 (0,5M) theo thời gian Theo dõi thay đổi điện ăn mòn lớp mạ kẽm so với điện cực so sánh calomen q trình thực nghiệm khơng có biến đổi đáng kể Điện ăn mòn dao động quanh giá trị -0,99V đến -1,04V Tốc độ ăn mòn lớp mạ dung dịch khảo sát thông qua phương pháp điện trở phân cực phương pháp tổng trở phần 24 3.3 Khảo sát thay đổi tốc độ ăn mịn điện hóa lớp phủ kẽm theo thời gian 3.3.1 Phương pháp điện trở phân cực Một phương pháp để khảo sát tốc độ ăn mịn điện hố thép mạ kẽm mơi trường nước nói phương pháp điện trở phân cực Sau đo phổ tổng trở, giữ nguyên hệ đo tiến hành đo đường cong phân cực thép mạ kẽm môi trường nước nói Các thơng số đo thiết lập: khoảng điện thế: EOCP ±20 mV, tốc độ quét 0,5 mV/s Dữ liệu xử lí trực tiếp phần mềm Nova 2.1 ta thu giá trị điện trở phân cực (hình 3.10) H$nh 3.4 Sự thay đổi điện trở phân cực lớp phủ mạ kẽm mặt A mặt B môi trường Na2SO4 theo thời gian Từ hình thấy điện trở phân cực lớp phủ mạ kẽm mặt A mặt B mơi trường Na2SO4 có dạo động lớn có giá trị gần 6.104 Ω 25 H$nh 3.5 Sự thay đổi điện trở phân cực lớp mạ kẽm mặt A mặt B môi trường NaCl theo thời gian Từ hình thấy điện trở phân cực lớp phủ mạ kẽm mặt A mặt B mơi trường NaCL có dạo động lớn có giá trị gần 20.104 Ω 3.3.2 Phương pháp tổng trở điện hóa Để đánh giá tốc độ ăn mịn điện hoá thép mạ kẽm, tiến hành ngâm liên tục đo phổ tổng trở mẫu thép sáu mẫu nước nghiên cứu theo tuần Các thông số thiết lập ban đầu: f = 105 Hz ÷ 10-2 Hz, ∆E = mV Phổ Nyquist thép mẫu dung dịch theo thời gian thể hình 3.6 3.7 26 H$nh 3.6 Phổ Nyquist lớp phủ mạ kẽm môi trường Na2SO4 (0,5M) theo thời gian H$nh 3.7 Phổ Nyquist lớp phủ mạ kẽm môi trường NaCl (3,5%) theo thời gian Nyquist thép mẫu dung dịch theo thời gian thể hình 3.6 hình 3.7 27 Ta thấy tổng trở tăng thời gian ngâm mẫu tăng Từ sau 24h trở tổng trở mẫu khơng thay đổi nhiều Tổng trở mẫu lớn điểm đo sau 14 ngày, lớp sản phẩm ăn mòn bám lên bề mặt mẫu để mẫu tĩnh dung dịch nhiều ngày Đường cong tổng trở lớn chứng tỏ điện trở chuyền điện tích lớn, tốc độ ăn mịn nhỏ 3.3.3 Đánh giá thay đổi bề mặt lớp phủ kẽm theo thời gian H$nh 3.8 H$nh ảnh lớp mạ kẽm trước ngâm 02 tuần dung dịch NaCl (3,5%) va Na2SO4 (0,5M) H$nh 3.9 H$nh ảnh lớp mạ kẽm sau ngâm 02 tuần dung dịch NaCl (3,5%) va Na2SO4 (0,5M)\ Thơng thường ăn mịn thép, ion sắt mang điện tích dương anot thu hút phản ứng với ion mang điện tích âm chất điện phân tạo thành oxit sắt từ hay gọi rỉ sắt Tuy nhiên thực nghiệm ta 28 dùng lớp kẽm bảo vệ để cách ly bề mặt kim loại tiếp xúc với dung dịch NaCl Na2SO4 tính chất kim loại mà tượng rỉ sắt đổi màu khơng có, có lớp mạ kẽm bị xỉn màu lớp mạ kẽm nhúng nóng bị ăn mòn phần 3.4 Phương pháp đo đường cong phân cực Phép đo đường cong phân cực xem mở rộng phép đo điện ăn mịn Eăm mà khơng có dịng phân cực từ dịng ngồi ( I = ) Vậy việc đo đường cong phân cực thực phép đo với thiết bị Nova 2.0 Những điều cần lưu ý phép đo: - Chuẩn bị dung dịch thật - Chọn khoảng phù hợp ( -200 mV đến 200 mV ) so với điện ăn mòn, từ phép đo thu số liệu điện tương ứng với thay đổi giá trị mật độ dịng I, sau vẽ đường cong phân cực H$nh 3.10 Đường cong phân cực lớp mạ kẽm môi trường NaCl (3,5%) 29 H$nh 3.11 Đường cong phân cực lớp mạ kẽm môi trường Na2SO4 (0,5M) Trong khoảng phân cực -200 mV đến 200 mV so với Eăm cho phép xác định trực tiếp iăm khoảng quan hệ mật độ dịng i E tuyến tính Có thể cách ngoại suy đường Tafel anot catot điểm giao đường ứng với Eăm lgiăm Mẫu mạ kẽm dung dịch NaCl có điện ăn mịn âm mẫu kẽm dd Na2SO4 3.5 Phương pháp phun mù muối Phương pháp phun mù muối thử nghiệm tiến hành liên tục suốt chu kì thử (nghĩa tủ ln đóng kín khơng ngừng phun dung dịch ) Trừ phải dừng lại để quan sát hay xếp lại lấy mẫu, kiểm tra bổ sung dung dịch vào bình chứa Các mẫu kim loại cần thử nghiệm cần làm tránh sờ tay nhiều trước thử nghiệm Chu kì phơi mẫu thường bội số 24h Ở em chọn 2h, 4h, 24h, 48h, 72h, 96h, 144h 30 H$nh 3.12 H$nh ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 0h H$nh 3.13 H$nh ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 4h 24 31 H$nh 3.14 H$nh ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 48h 72 H$nh 3.15 H$nh ảnh mẫu thép thử nghiệm phun mù muối 96h 144 32 Qua kết phun mù muối theo thời gian mẫu thép mạ kẽm, thấy lớp oxit hình thành lớp mạ kẽm loại bỏ lộ lớp kẽm chưa bị oxi hóa bị loại bỏ gần hoàn toàn 48h 33 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tìm hiểu nghiên cứu hồn thành đồ án này, em rút số kết luận đồ án sau: Sau mạ kẽm nhúng nóng thép khối lượng phần trăm lớp mạ kẽm bề mặt chiếm đến 95% khối lượng Cấu trúc thành phần mẫu gồm lớp lớp mạ kẽm, lớp liên kết kẽm sắt lớp sắt bảo vệ Sự thay đổi điện ăn mòn lớp mạ kẽm so với điện cực so sánh calomen trình thực nghiệm khơng có biến đổi đáng kể Điện ăn mòn dao động quanh giá trị -0,99V đến -1,04V có xu hướng ổn định quanh mốc Trong phương pháp phun mù muối để đánh giá tốc độ ăn mịn lớp mạ sau lớp oxit hình thành lớp mạ kẽm loại bỏ lộ lớp kẽm chưa bị oxi hóa bị loại bỏ gần hoàn tàn 48h Bằng phương pháp đo đường cong phân cực thấy mẫu mạ kẽm dung dịch NaCl có điện ăn mịn âm mẫu mạ kẽm dung dịch Na2SO4 Thời gian ngâm mẫu lâu dung dịch tổng trở tăng Tổng trở đạt lớn điểm đo sau 14 ngày, lớp sản phẩm ăn mòn bám bề mặt mẫu mẫu bị ăn mòn nhiều ngày Đường cong tổng trở lớn điện trở chuyển điện tích tốc độ ăn mịn ngày nhỏ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T N Liên, Ăn mòn bảo vệ kim loại, Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [2] N V Tư, Ăn mòn bảo vệ vật liệu, Hà Nội, 2000 [3] Shibli, S M A., Meena, B N., & Remya, R (2015) A review on recent approaches in the field of hot dip zinc galvanizing process Surface and Coatings Technology, 262, 210-215 [4] Ralph M Davison, Terry DeBold, Mark J Johnson, "Corrosion of Stainless Steels," in Metals Handbook, ASM International, 1987 [5] Le Minh Duc, Nguyen Thi Huong, Duong Thi Hong Phan, Vu Quoc Trung, Dao Hung Cuong, Improve the corrosion resisitance of organic coating with conversion layer containing Ti, Mo, Tạp chi KH CN, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Tập 53-Số 4A, 80-86, 2015 (2nd International Workshop on Corrosion and Protection of Materials 26-29 October 2015, Ha Noi, Viet Nam) [6] Trịnh Xuân Sén, Ăn mòn Bảo vệ kim loại, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006 35