tiểu luận ăn mòn và bảo vệ kim loại - tôn mạ kẽm

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.. Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị của l

1 Lời nói 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

2 Tổng quan về kim loại

2.1 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+

2.2 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 : S2, O2, Cl2 ,….v.v

Me + ½ O2 → MeO

Trong đó Me là kim loại

Ví dụ:

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

C

Fe3 ) 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 và giải phóng điện tử : kim loại bị ăn mòn

- 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 dung dịch H2SO4 làm ví dụ )

2.3 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 :

2

1, m

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

S : diện tích bề mặt kim loại (dm2)

t: thời gian ( s )

Độ thâm nhập P : Tính bằng chiều sâu trung bình kim loại bị ăn mòn trong một năm

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

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

2.4 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

2.5 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

3 Nguyên liệu sản xuất tôn

3.1 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

3.2 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 nặng nhất là bị lủng thổ

3.3 Cơ chế ăn mòn

• Ở A nốt: các nguyên tử Fe bị oxy hóa thành Fe2 +

Các ion này tan vào dung dịch điên li tại đây đã có sẵn oxy, chúng lại bị oxy hóa tiếp thành 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:

Ngoài ra trong nước còn có một lượng O2 khuếch tán nên quá trình ca tốt

sẽ là:

Các tinh thể sắt bị oxy hóa dần dần từ ngoài vào trong, sau một thời gian tấm tôn sẽ bị ăn mòn hết

Từ những cơ sở trên ta sẽ đưa ra được các biện pháp bảo vệ tôn trước môi trường nước mưa và sương muối

4 Bảo vệ tôn khỏi bị ăn mòn bang phương pháp sơn

4.1 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

4.2.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

4.3 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 250 0C 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

- 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

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

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

- 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

- Chất chống lắng

- 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:

- 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

- 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:

• 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 metacrylat

Metyl metacrylat Polymetyl metacrylat

• Cao su clo hóa điều chế bằng tác dụng của clo với cao su tự nhiên hoặc tổng hợp

- Chất kết dính đóng rắn do polyme hóa gồm:

• Nhựa epoxy

Mạch epoxy

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

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

OH của rượu hoặc nước:

Isoxianat Polyol Uretan

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

Sắc tố có nhiều loại:

• Sắc tố chống ăn mòn gồm bột kẽm, bột chì, Pb3O4, ZnCrO4

• Sắc tố gia cố để có lớp phủ dày và giảm thấm nước gồm ZnO, TiO2, Fe2O3, graphit

™ Chất độn: Thường dùng là SiO2, SbSO4, bột talc, amiăng, mica, CaCO3

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

• 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 :

• Lấp lỗ châm kim

• Che phủ vết mài

• Làm tăng độ bám chắc với lớp sơn ngoài

• 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 1200C

• Thành phẩm

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

4.5 Ưu và nhược điểm của phương pháp

- Ưu điểm

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

• Có thể kết hợp với các phương pháp bảo vệ khác

• Hiệu suất cao, gia công thuận tiện

• Có thể sơn các sản phẩm có diện tích lớn, khô nhanh, màng sơn phân bố đồng đều, bằng phẳng, bóng

- Nhược điểm:

• Không chịu được nhiệt độ cao quá 2000C

• Kém bền trong môi trường nước

• Độ bền cơ học kém

5 Bảo vệ tôn khỏi bị ăn mòn bằng phương pháp mạ kẽm

5.1.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

5.2.Giới thiệu chung về kẽm và mạ kẽm

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

• Trọng lượng riêng: 7,14 N/m3

• Nguyên tử lượng: 65,37 đvC

• Điện thế tiêu chuẩn: 0,76 V

• Đương lựơng điện hóa: 1,22 g/Ampe

• Nhiệt độ nóng chảy: 419,440C

• Kẽm có tính giòn, tương đối cứng, đặc biệt khi tăng nhiệt độ đến 100-1500C có tính dẻo tốt, có thể gia công dập, nhưng khi gia nhiệt đến 2500C thì giòn, có lớp bột, nhiệt độ càng cao thì thành lớp kẽm oxit dạng bột càng nhiều

• 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

• 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

• 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

5.3.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)

S

3 8

3H O

ATZ

Nhiệt độ (0C ) 20-35

Mật độ dòng điện(

2

/ dm

1-3

• Pha chế dung dịch

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:

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

- Hòa tan NaCN và NaOH trong thùng mạ có thể tích nước bằng ½ thể tích thùng mạ

- Cho nước vào ZnO đã tính toán, khuấy thành dạng hồ đặc, vừa khuấy vừa cho vào thùng mạ cho đến khi tan hoàn toàn

- Cho glixerin và Na2S đã hòa tan vào trong thùng, khuấy đều, cho nước đến mức quy định

b Dung dịch mạ kẽm zincat

• Đặc điểm công nghệ

Dung dịch mạ kẽm zincat thành phần đơn giản, sử dụng thuận lợi Lớp

mạ bóng, màng thụ động khó biến màu Dung dịch mạ ít ăn mòn thiết bị,

có thể dùng thiết bị mạ kẽm xianua sẵn có, thiết bị xử lý nước thải, đơn giản Nhưng khả năng phân bố của dung dịch này kém hơn dung dịch xianua, hiệu suất dòng điện giảm (70-85%)

Khi mạ quá độ dòng quy định, độ giòn tăng lên

c Dung dịch mạ kẽm muối amon

• Đặc điểm công nghệ

Dung dịch mạ kẽm muối amon được lớp mạ kết tinh mịn, bóng, hiệu suất dòng điện cao, tốc độ kết tủa nhanh Dung dịch mạ kẽm muối amon có mấy loại, chúng khác nhau ở khả năng phân bố Dung dịch