luận văn bảo vệ kim loại chống ăn mòn

Sơn và mạ điện là một phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn trong môi trường xâm thực và trong khí quyển.. Sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng hóa học hoặc

Luận văn:

Bảo vệ kim loại chống ăn mòn

LỜI MỞ ĐẦU

Ăn mòn kim loại là vấn đề rất nghiêm trọng gây nên tổn thất rất lớn cho

nền kinh tế quốc dân Trên thế giới có khoảng một phần ba trọng lượng kim loại

hàng năm bị ăn mòn, phá hủy Tác hại do ăn mòn kim loại gây ra là rất lớn, gồm

nhiều tác hại trực tiếp và gián tiếp Vì thế, chống ăn mòn kim loại là một vấn đề

đã và đang được áp dụng để làm giảm thiệt hại này

Sơn và mạ điện là một phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim loại

khỏi ăn mòn trong môi trường xâm thực và trong khí quyển Trong đó, mạ kẽm

là một ứng dụng quan trọng của mạ điện để bảo vệ vật liệu khỏi bị ăn mòn.Vì thế,

chúng tôi xin được trình bày chi tiết về kỹ thuật này dưới đây

Tác giả

Hoàng Anh Huy

MỤC LỤC

Lời Mở Đầu: 2

Chương 1 Tổng quan về ăn mòn và bảo vệ kim loại 5

1.1 Khái niệm về sự ăn mòn kim loại 5

1.2.Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại 5

1.3.Tốc độ ăn mòn kim loại 7

1.4.Những nhân tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn 8

1.5 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn 8

a Cách ly kim loại với môi trường 8

b Dùng hợp kim chống gỉ 8

c Dùng chất chống ăn mòn 8

d Dùng phương pháp điện hóa 9

Chương 2 Nguyên liệu sản xuất tôn 10

2.1 Khái quát về vật liệu 10

2.2 Các tác nhân gây ăn mòn 10

2.3 Cơ chế ăn mòn 11

Chương 3 Bảo vệ tôn khỏi bị ăn mòn bằng phương pháp sơn 12

3.1 Mục đích 12

3.2 Khái niệm 12

3.3.Thành phần của sơn 12

3.4 Sơ đồ quy trình phủ sơn trên tôn 15

3.5 Ưu và nhược điểm của phương pháp 16

Chương 4: Bảo vệ tôn bằng phương pháp mạ kẽm 17

4.1.Mục đích 18

4.2.Giới thiệu chung về kẽm và mạ kẽm 18

4.3.Các dung dịch mạ kẽm 19

4.5.Bản chất và yêu cầu của lớp mạ 19

4.6.Chuẩn bị bề mặt trước khi ma 23

4.7 Sơ đồ quy trình công nghệ mạ kẽm 24

4.8.Qui trình công nghệ sản xuất tôn mạ kẽm 26

Chương 5: Một số hình ảnh của tôn mạ kẽm 29

Kết luận: 30

Tài liệu tham khảo: 31

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1.1 Khái niệm về sự ăn mòn kim loại

Sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng hóa học hoặc điện hóa của kim

loại với môi trường xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại

Kết quả là kim loại sẽ bị oxi hóa thành các ion dương và sẽ mất đi những tính

chất quý báu của kim loại

M – ne = Mn+

1.2 Phân loại Các quá trình ăn mòn kim loại

Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại, người ta có thể phân loại ăn mòn theo

nhiều cách khác nhau Có người phân loại ăn mòn ở nhiệt độ cao và ở nhiệt độ

thấp, có người phân loại ăn mòn khô và ăn mòn ướt Trong bài tiểu luận này,

chúng tôi phân loại ăn mòn theo cơ chế phản ứng và sự ăn mòn kim loại được

chia làm hai loại chính :

a Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại do kim loại phản ứng hóa học với chất

khí hoặc hơi nước ở nhiệt độ cao

Đặc điểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng điện ( không có các điện

cực ) và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhanh

Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị của lò đốt, các chi tiết của động

cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao

Kim loại được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường chứa chất xâm thực như :

0

6

4Fe+ H O=t Fe O + H

0 3

2 2 3

2Fe+ Cl =t Fe Cl Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa khử, trong đó các electron của

kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng

b Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại do hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất

điện li tạo nên dòng điện

Ví dụ: phần vỏ tàu biển chìm trong nước, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại

tiếp xúc với không khí ẩm Do vậy, ăn mòn điện hóa là loại ăn mòn kim loại

phổ biến và nghiêm trọng nhất

• Các điều kiện ăn mòn điện hóa

- Các điện cực phải khác chất nhau: có thể là cặp kim loại khác nhau, cặp kim

loại - phi kim (C), cặp kim loại - hợp chất hóa học ( xêmentit Fe3C ) Trong đó

kim loại có tính khử mạnh hơn sẽ là cực âm Như vậy kim loại nguyên chất khó

bị ăn mòn

- Các điện cực phải tiếp xúc với nhau ( hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây

dẫn )

- Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch điện li

• Cơ chế ăn mòn điện hóa

Sự ăn mòn điện hóa của kim loại gồm 3 quá trình cơ bản :

- Quá trình Anot :

quá trình Anot là quá trình oxi hóa điện hóa, trong đó kim loại chuyển vào dung

dịch dưới dạng cation Mez+ và giải phóng điện tử : kim loại bị ăn mòn

Me → Mez+ + z.e

- Quá trình Catot:

quá trình catot là qúa trình khử điện hóa, trong đó chất oxi hóa nhận điện tử do

kim loại bị ăn mòn nhường cho điện tử

Ox + z.e → Red

Red: dạng khử lien hợp của Ox ( tức Ox.ze )

- Quá trình dẫn điện :

Các điện tử do các kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ đi từ Anot đến catot, còn

các ion di chuyển trong dung dịch

Như vậy, quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng điện

giữa hai cực khác nhau của kim loại Vùng kim loại bị hòa tan đóng vai trò cực

dương ( + ) Anot, vùng kia đóng vai trò cực âm ( -) catot

Ta có thể tóm tắt quá trình trên bằng sơ đồ sau ( lấy sự ăn mòn của Zn trong

-1.3 Tốc độ ăn mòn kim loại :

Tốc độ ăn mòn có thể đo bằng các đại lượng sau :

• Tổn thất trọng lượng:

Tổn thất trọng lượng là trọng lượng kim loại bị ăn mòn trên đơn vị bề mặt trong

đơn vị thời gian :

t S

m m P

.

2

1 −

=

m1, m2 là trọng lượng mẩu kim loại trước và sau khi bị ăn mòn ( mg )

S : diện tích bề mặt kim loại ( dm2)

Trong đó, G : lượng vật liệu bị ăn mòn ( g/m2.h )

ρ : khối lượng riêng của kim loại ( kg / m3 )

1.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn

• Ảnh hưởng của bản chất kim loại

Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đến điện thế tiêu chuẩn, hoạt độ hóa học

của kim loại Điện thế tiêu chuẩn của kim loại càng âm thì hoạt độ hóa học càng

cao, kim loại càng dễ bị ăn mòn Tuy nhiên có những kim loại (như Crom, Niken),

điện thế tiêu chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao nhưng tính bền ăn mòn tốt Đó là do

trên bề mặt hình thành lớp màng oxi hóa kín, rất mỏng, có thể bảo vệ kim loại khỏi

sự ăn mòn Như vậy gọi là sự thụ động hóa kim loại

Tính chống gỉ của kim loại còn liên quan đến hàm lượng tạp chất và độ bóng của

nó Tạp chất của kim loại càng nhiều tính chống gỉ của nó càng kém Độ bóng kim

loại càng cao, tính chống gỉ càng tốt

• Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới sự ăn mòn Nhiệt độ càng cao, hoạt độ hóa học của

kim loại và dung dịch tăng, do đó làm tăng sự ăn mòn

• Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn

Tính chống gỉ của nguyên liệu có quan hệ trực tiếp tới môi trường ăn mòn

Trong những môi trường khác nhau, tính ổn định của kim loại cũng khác nhau

Ví dụ: Vàng ổn định trong nhiều dung dịch nhưng bị ăn mòn trong nước cường

toan

1.5 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn

a Cách li kim loại với môi trường

Dùng những chất bền vững với môi trường để phủ ngoài mặt những vật bằng

kim loại Những chất phủ ngoài thường dùng là:

- Các loại sơn chống gỉ, vecni, dầu mỡ, men, hợp chất polime

- Một số kim loại như Crom, niken, đồng, kẽm, thiếc ( phương pháp tráng

hoặc mạ điện )

- Một số hợp chất hóa học bền vững như oxit kim loại, photphat kim loại (

phương pháp tạo màng )

b Dùng hợp kim chống gỉ ( hợp kim inôc )

Chế tạo những hợp ki không gỉ như Fe - Cr - Ni trong môi trường không khí,

môi trường hóa chất

c Dùng chất chống ăn mòn

Thêm một lượng nhỏ chất chống ăn mòn vào dung dịch axit có thể làm giảm tốc

độ ăn mòn kim loại xuống hàng trăm lần

d Dùng phương pháp điện hóa

Người ta nối kim loại này với kim loại khác có tính khử mạnh hơn

Chương 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT TÔN 2.1 Khái quát về vật liệu

- Cấu tạo:

Tôn là hợp kim của sắt ( Fe ) và cacbon ( C ) trong đó hàm lượng cacbon

<6.62% và nhiều nguyên tố hóa học khác, đó là các tạp chất thường có như: Mn,

Si, P,S,…

Tôn được sản xuất ở dạng tấm mỏng, nhẹ với độ dày từ 0.1-0.5 mm, chiều rộng

1-2 m, chiều dài 4 -10m, và khối lượng từ 1.1- 4.82 kg/m2

Tôn được dung để che chắn hoặc chủ yếu là dùng để lợp nhà, nhà xưởng công ty

2.2 Tác nhân gây ăn mòn:

Tôn là vật liệu tiếp xúc trực tiếp với môi trường xung quanh nên chịu ảng hưởng

của những nhân tố sau:

• Nhiệt độ

• Ánh sáng

• Gió, bụi, sương

• Mưa

Trong nước mưa là có các khí CO2, NO2, SO2, O2 các khí này do môi trường bị

ô nhiễm, sấm chớp tạo thành Chính vì vậy làm cho nước mưa có tính axit nhẹ

với PH=5.8

Tùy thuộc vào tác nhân gây ăn mòn mà tôn bị a7n mòn với những cường độ

khác nhau Nhẹ nhất là tôn bị mỏng đi, kế đến là bị bong tróc từng mảng và

Fe2+ -1e = Fe3+

• Ở catốt: các ion hidro của dung dịch điện li chuyển đến cực dương, tại đây

chúng bị khử thành hidro tự do, sau dó thoát ra khỏi dung dịch điện li:

Từ những cơ sở trên ta sẽ đưa ra được các biện pháp bảo vệ tôn trước môi

trường nước mưa và sương muối

Chương 3: BẢO VỆ TÔN KHỎI BỊ ĂN MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

SƠN 3.1 Mục đích:

Bảo vệ bề mặt sản phẩm, màng sơn mỏng hình thanh trên bề mặt tôn cách li

tôn với môi trường như: nước, ánh sang, không khí… bảo vệ tôn khỏi bị ăn

mòn

3.2.Khái niệm

Sơn là huyền phù của các hạt màu (oxit kim loại hay muối kim loại) trong chất

kết dính hữu cơ, ngoài ra còn thêm vào đó các dung môi và các chất pha loãng

Chất kết dính hữu cơ tạo nên trên bề mặt kim loại cần bảo vệ một màng rắn liên

tục

3.3 Thành phần của sơn

Sơn bao gồm hai pha: lỏng và rắn

• Pha lỏng

Pha lỏng gồm dung môi, phụ gia và chất kết dính

- Dung môi: Để hòa tan chất kết dính Trong quá trình sấy khô dung môi bay đi

Những dung môi sôi ở trên 250oC không bị bay hơi gọi là chất hóa dẻo Chúng

làm cho màng sơn dẻo hơn

- Phụ gia: là những chất cho thêm một lượng nhỏ vào chất kết dính để cải thiện

tính chất của nó

9 Chất tăng nhanh quá trình khô (làm cho sơn mau khô) do tăng nhanh sự oxy

hóa chất kết dính Những chất thường dùng là các muối của các kim loại như

Co, Pb, Mn, Zn, Zr

9 Chất hoạt động bề mặt để cải thiện sự thấm ướt của sơn với bề mặt kim

loại

9 Chất tạo nhũ tương làm cho sơn ở dạng nhũ tương ổn định

9 Chất phân tán có nhiệm vụ đuổi nước khỏi bề mặt sắc tố (pigment), tăng

cường sự bám dính của màng sơn ngay cả khi bề mặt kim loại ẩm ướt

9 Chất chống lắng

9 Chất trừ sâu, hà, dầu

- Chất kết dính: Chất kết dính đóng rắn do bị oxy hóa trong môi trường không

khí bao quanh bao gồm:

9 Sơn dầu thừơng là các loại dầu thực vật như dầu lanh, dầu tùng, dầu đậu

tương… cúng sẽ bị oxy hóa trong môi trường không khí bao quanh và tự đóng

rắn

9 Nhựa ankyt là este của diaxit với rượu đa chức

Ví dụ: axit phtalic COOH – C2H4 – COOH

và glyxerin CH2OH – CHOH – CH2OH

- Chất kết dính đóng rắn do bốc hơi dung môi bao gồm:

9 Sơn acrylic

Axit acrylic (CH2 = CH – COOH) và metarylic (CH2 = C(CH3)COOH) và các

este của chúng đều có thể polymer hóa thành nhựa nhiệt dẻo mạch dài polymetyl

Mạch epoxy

Nhóm epoxy đóng rắn do phản ứng với chất đóng rắn (ví dụ amin)

9 Nhựa polyure tan tạo thành do phản ứng của isoxianat lên nhóm OH của

rượu hoặc nước:

H

O

Uretan lại bị polyme hóa và liên kết chéo thành polyuretan

Ngoài ra còn một số nhựa khác như ure-fomaldehyt, melamin formal-dehyt,

silicon…

• Pha rắn gồm sắc tố (pigment) và chất độn

™ Sắc tố được đặc trưng bởi màu sắc, độ hạt, tốc độ lắng, độ đục, sự hòa tan

trong nước và chất hữu cơ

3.4 Sơ đồ quy trình phủ sơn trên tôn:

• Xử lí bề mặt trước khi sơn

Muốn lớp sơn bám chắc trên kim loại thì phải chuẩn bị tốt bề mặt của nó Có

nhiều nhiều cách để chuẩn bị bề mặt trước khi sơn như dùng dung môi, chải,

đánh giấy ráp, phun cát…

Ngoài ra trước khi sơn còn phosphat hóa hoặc cromat hóa để tạo lớp nền cho

sơn bám dính tốt

• Chọn sơn

Tùy thuộc vào mội trường và điều kiện làm việc mà người ta sẽ chọn các loại

sơn với mục đích sử dụng khác nhau

• Pha sơn

Tiến hành pha sơn với dung môi là các chất bay hơi nhanh, giá rẻ.tùy theo dugn

môi và loại sơn mà ta pha ở các tỉ lệ khác nhau có thể là 1/5 đến 1/10

Sấy

Xử lý bề mặt Chọn sơn Pha sơn Sơn lần 1 Sơn lần 2

Thành phẩm

• Sơn lần 1 (sơn lót)

Sơn lót là lớp sơn đầu tiên trực tiếp phun lên bề mặt sản phẩm với mục đích

tạo nên lớp màng sơn bám chắc với kim loại nền, tạo điều kiện cho lớp sơn thứ

hai dính kết

Những điều kiện lý tưởng của lớp sơn lót là:

• Có độ bám chắc, tính dẻo tốt

• Có tính ổn định cao trong khí quyển

• Không thấm nước và hơi nước

• Có tính năng chống gỉ tốt

• Sơn lần hai

Sau khi sơn lần thứ nhất bề mặt có nhiều lỗ châm kim, sơn lần hai trên lớp sơn

trước có tác dụng sau đây :

9 Lấp lỗ châm kim

9 Che phủ vết mài

9 Làm tăng độ bám chắc với lớp sơn ngoài

9 Nâng cao độ bóng màng sơn

• Sấy khô màng sơn

Quá trình biến đổi hóa học và vật lý làm cho màng sơn thành màng rắn cứng gọi

là sấy khô

Nhiệt độ xấy thường từ 50 đến 120oC

• Thành phẩm

Các tấm tôn theo băng truyền xếm đống được vận chuyển đến kho

3.5 Ưu và nhược điểm của phương pháp

• Ưu điểm

9 Dễ phủ, rẻ tiền, dễ khôi phục chỗ bị hư hỏng

9 có thể kết hợp với các phương pháp bảo vệ khác

9 Hiệu suất cao, gia công thuận tiện

9 Có thể sơn các sản phẩm có diện tích lớn, khô nhanh, màng sơn phân bố

đồng đều, bằng phẳng, bóng

• Nhược điểm:

9 Không chịu được nhiệt độ cao quá 200OC

9 Kém bền trong môi trường nước

9 Độ bền cơ học kém

Chương 4: BẢO VỆ TÔN KHỎI BỊ ĂN MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ

KẼM

4.1.Mục đích:

Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, người ta dung nhiều phương pháp khác

nhau.Nhưng phương pháp mạ kẽm ( Zn ) còn gọi là lớp mạ anôt được sử dụng

phổ biến và rộng rãi nhất

Lớp mạ anôt nếu kim loại được mạ có điện thế âm hơn so với kim loại nền

4.2.Giới thiệu chung về kẽm và mạ kẽm:

9 Kẽm là kim loại óng ánh, màu trắng hơi xanh lam

9 Trọng lượng riêng: 7,14 N/m3

9 Nguyên tử lượng: 65,37 đvC

9 Điện thế tiêu chuẩn: 0,76 V

9 Đương lựơng điện hóa: 1,22 g/Ampe

9 Nhiệt độ nóng chảy: 419,44oC

9 Kẽm có tính giòn, tương đối cứng, đặc biệt khi tăng nhiệt độ đến 100-150oC

có tính dẻo tốt, có thể gia công dập, nhưng khi gia nhiệt đến 250oC thì giòn, có

lớp bột, nhiệt độ càng cao thì thành lớp kẽm oxit dạng bột càng nhiều

9 Điện thế tiêu chuẩn của kẽm tương đối âm, đối với sắt thép kẽm là lớp mạ

Anôt Vì vậy trong công nghiệp, kẽm được dùng phổ biến để tạo lớp bảo vệ kim

loại khỏi sự ăn mòn

9 Độ tinh khiết của lớp mạ kẽm cao, có cấu trúc đồng đều, do đó có tính ổn

định hóa học cao Tính đàn hồi của lớp mạ tốt sau khi bị uốn kéo Tuy nhiên

độcứng thấp, độ bóng kém, trong không khí dễ sinh thành muối kẽm cacbonat

có tính kiềm nên dễ bị mờ Để bề mặt kẽm luôn sáng đẹp, sau khi mạ người ta

đem sơn, phôtsphat hóa hay thụ động hóa… làm tăng độ bền của lớp mạ

9 Kẽm là kimloại thông dụng để bảo vệ sắt thép và hợp kim của chúng, sản

phẩm mạ kẽm được dùng cho các công trình xây dựng: các tấm tôn lợp, đường

dây điện thoại, đường sắt, các ống nước,cống nước, các thiết bị dặt ngoài trời

Trong môi trường xâm thực, lớp mạ kẽm phải dày Trong điều kiệnbình thường

yêu cầu độ dày lớp mạ là 15 μ m Trong điều kiện ăn mòn mạnh, độ dày lớp mạ

tối thiểu là 30 μ m

4.3.Các dung dịch mạ kẽm:

a.Dung dich mạ kẽm xianua

• Đặc điểm công nghệ

Dung dịch kẽm xianua, khả năng phân bố tốt, lớp mạ mịn, bóng đẹp

Rất độc, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

• Thành phần của dung dịch mạ kẽm xianua

Hàm lượng (g/l) ZnO 35-45 20-25

Dung dịch mạ kẽm xianua pha bằng các hóa chất ZnO hoặc Zn(OH)2 cho tác dụng

với NaCN Phản ứng của chúng như sau:

2ZnO + 4NaCN = Na2Zn(CN)4 + Na2ZnO2

2Zn(OH)2 + 4NaCN = Na2Zn(CN)4 + Na2ZnO2 + 2H2O

Pha chế dung dịch mạ kẽm xianua trong điều kiện có quạt hút Quá trình pha chế

như sau: