Chương 9 PHƯƠNG PHÁP bảo vệ KIM LOẠI KHỎI ăn mòn

CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI KHỎI ĂN MÒN Có 6 phương pháp kiểm soát ăn mòn kim loại là: • Thiết kế tránh ăn mòn; • Lựa chọn vật liệu thích hợp đối với từng môi trường; • Tạo lớp phủ t

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

Có 6 phương pháp kiểm soát ăn mòn kim loại là:

• Thiết kế tránh ăn mòn;

• Lựa chọn vật liệu thích hợp đối với từng môi trường;

• Tạo lớp phủ trung gian ngăn cách không cho kim loại tiếp xúc trực tiếp với môi trường;

• Dùng chất ức chế ăn mòn kim loại;

• Bảo vệ điện hóa ( bảo vệ catot, bảo vệ anot)

• Thay đổi môi trường

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.1 Thiết kế chống ăn mòn

Giới thiệu: Có 3 giai đoạn ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sử dụng một kết cấu

kim loại là: Thiết kế - Chế tạo – Sử dụng

Nguyên tắc thiết kế tránh ăn mòn:

- Đơn giản hóa hình dáng;

- Tránh tích tụ ẩm;

- Tránh gây ăn mòn galvanic;

- Khi nối các vật liệu cần tránh tạo hốc, khe rãnh, cấu trúc dị thể, ăn mòn galvanic;

- Chú ý đến sự thay đổi kích thước kết cấu do ăn mòn, do tạo thành sản phẩm ăn mòn;

- Chú ý thay đổi kích thước kết cấu do có lớp phủ;

- Cần định hướng chế tạo và sử dụng;

- Lựa chọn vật liệu thích hợp.

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

- Thép carbon bị ăn mòn trong axit H2SO4 đặc, nóng:

2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4 )3 + 3SO2 + 6H2O

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

• Các loại thép không gỉ như: Duplex stainless steels/Super Duplex Stainless steels hầu như có độ bền cao đối với nhiều loại ăn mòn;

• Titanium, Zirconium bền trong tất cả các môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao;

• Đồng, hợp kim đồng, hợp kim niken: bền trong nước biển;

• Một vật liệu bền đối với sự nứt ăn mòn ứng lực có thể bị hỏng do giảm sức chịu đựng;

• Vật liệu khác bền ở ăn mòn nhiệt độ cao, có thể bị hỏng do ăn mòn pitting

• Không có loại vật liệu nào là bền vững đối với tất cả các loại ăn mòn.

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.3 Tạo lớp hàng rào trung gian

9.3.1 Ý nghĩa Lớp bảo vệ hoặc lớp hàng rào trung gian trên vật liệu

nhằm tránh tiếp xúc trực tiếp với môi trường sẽ nậng cao tuổi thọ của vật liệu và thiết bị

*Lớp hàng rào có thể là sơn, lớp phủ sơn hoặc lớp phủ kim loại

• Cũng có cả những lớp vỏ phi kim loại, như: thủy tinh, epoxy, cao su…

• Các lớp sơn có thể bị bong tróc khi phơi lâu dài trong khí quyển nóng và dưới ánh sáng mặt trời;

• Các lớp vỏ trên đường ống có thể bị hư hỏng về phương diện vật

lý, bị nứt và phân lớp.

• Phương pháp tạo lớp hàng rào rẻ tiền và dễ áp dụng

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM

LOẠI KHỎI ĂN MÒN

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ BỀ MẶT NỀN

1 TẨY DẦU MỠ (bằng kiềm, dung môi)

2 TẨY GỈ (hóa học, điện hóa, cơ học)

3 ĐÁNH BÓNG (cơ học, điện hóa)

4 CHE CHẮN (bằng băng dính, sơn, parafin, cao su, nhựa)

5 TẠO LỚP PHỦ

GIA CÔNG BỀ MẶT CHI TIẾT

TRƯỚC KHI SƠN, MẠ

Phun cát:

Phun cát khô dùng hạt mài SiC,Al2O3,SiO2…

Căn cứ vào nguyên liệu, trạng thái bề mặt và yêu cầu gia công mà chọn hạt mài có độ hạt khác nhau

Phun cát ướt giống như phun cát khô nhưng có nước lẫn vào hạt mài, tỷ lệ nước chiếm 65-80%

Cần cho thêm phụ gia là chất ức chế ăn mòn để chống

sự gỉ của sắt , thép khi phun cát ướt

TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

Tẩy gỉ kim loại đen:

Để làm sạch bề mặt chi tiết trước khi mạ phải tẩy gỉ

Có thể dùng phương pháp hóa học hoặc điện hóa để tẩy gỉ

Đối với kim loại đen được chia làm 4 loại:

• Thép cacbon thấp hay thép hợp kim thấp

• Thép cacbon cao

• Thép cường độ cao,thép lò xo

• Thép đúc hàm lượng cacbon cao

* Gỉ gồm sắt III oxyt (Fe2O3), sắt từ oxyt (Fe3O4) và sắt II oxyt (FeO) Tẩy gỉ bằng phương pháp hóa học - dùng các axit

không có tính oxy hóa + chất ức chế ăn mòn thép, như:Axit

sunfuric loãng (10 –15%); Axit clohydric (10-15%) ; Axit

flohydric 5% hoặc axit citric 1,53% ở gần nhiệt độ sôi

TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA

HỌC

Tẩy gỉ hóa học kim loại màu:

Tẩy gỉ nhôm và hợp kim Al-Cu-Mn trong dung dịch

kiềm NaOH (50-150g/l), nhiệt độ 45-80 0 C, trong 1 phút

Al 2 O 3 + 2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 O 2Al+ 2NaOH + 2H 2 O → 2NaAlO 2 + 3H 2

Nên tẩy gỉ hợp kim Al-Mg hoặc Al-Mg-Si trong dung dịch

H 2 SO 4 (98%) 150ml /lit Nhiệt độ:80 0 C.Thời gian:2-5phút

Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O 2Al + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2

TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

* Tẩy gỉ bằng phương pháp điện hóa :

a) Tẩy gỉ anot cho thép cacbon và thép hợp kim thấp :Nối

chi tiết thép cần tẩy gỉ với cực dương nguồn điện 1 chiều Cưc âm nguồn điện nối với tấm chì

Thành phần dung dịch (g/l):HCl (8-10) + NaCl (40-50)+ Chất

ức chế ăn mòn thép.Danot = 5-10A/ dm2

Nhiệt độ: 18-35oC Thời gian: 5-10 phút

-Tại anot thép: 2H2O - 4e- → 2H+ + O2 (Khí oxy đánh tơi lớp oxyt, giúp cho phản ứng hòa tan gỉ bằng axit dễ hơn)

Tại catot chì: 2H+ + 2e- →H2

TẨY GỈ BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

b)Tẩy gỉ catot thép cácbon:

Nối chi tiết thép cần tẩy gỉ với cực âm nguồn điện 1 chiều Cưc dương nối với tấm

chì

Thành phần dung dịch (g/l):H 2 SO 4 (50-60) + HCl (25-30) + NaCl (15-20) + Chất ức chế

ăn mòn thép.

D catot = 8-10A/ dm 2 Nhiệt độ: 60- 70 o C.

Thời gian: 10-15 phút (Không tẩy lâu để tránh giòn chi tiết do hydrô)

-Tại anot chì: 2H 2 O - 4e - → 2H + + O 2

Tại catot thép : H + + e - → H Nguyên tử H khử một phần oxyt sắt ( 6H + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3H 2 O) Bọt khí hydro làm tơi lớp gỉ, giúp cho phản ứng hòa tan gỉ bởi axit dễ hơn.

5.2 Tẩy gỉ kim loại màu bằng phương pháp hóa học:

 Tẩy gỉ cho nhôm và hợp kim nhôm

 Nhôm hoặc hợp kim nhôm trước khi mạ cần phải tẩy lớp oxi hóa bằng gia công

cơ khí hoặc tẩy bằng hóa học trong dung dịch

H 2 SO 4 (98%)ml /l 100

CrO 3 (g /l ) 35

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.3.2 Phương pháp tạo lớp phủ trên bề mặt vật liệu:

Có 5 phương pháp chính để tạo lớp phủ trên bề mặt vật liệu là:

• Bằng công nghệ hóa học;

• Bằng công nghệ điện hóa;

• Nhúng trong kim loại nóng chảy;

• Phun phủ bề mặt;

• Kết tủa trong pha hơi

a) Phân loại theo phương thức sản xuất:

ứng: Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + Ag

kẽm dày, khít trên bề mặt thép

xốp cao (nên chống ăn mòn thép kém).

kẽm,mangan ) có tính cách điện cao, bám dính tốt, độ xốp caodùng làm lớp lóttrước khi sơn hoặc làm lớp cách điện trong các thiết bị điện.

PHÂN LOẠI LỚP MẠ

PHÂN LOẠI LỚP MẠ

b) Phân loại lớp mạ theo bản chất:

• Chất nền có thể là kim loại (chủ yếu là thép cacbon), polyme (nhựa), ceramic (gốm), hoặc composite (kim loại chứa các chất rắn phân tán).

• Các lớp mạ điện bao gồm:- Lớp mạ đơn: Zn, Ni, Sn, Pb, Cu, Cr, Cd,

Ag, Pt, Au.

- Lớp mạ hợp kim: Cu-Zn, Cu-Sn, Pb-Sn, Sn-Ni, Ni-Co, Ni-Cr, Ni-Fe.

- Lớp mạ composite: PTFE,Al2O3, WC, SiC,,Cr3C2, kim cương, graphite.

 Lớp mạ bảo vệ

 Lớp mạ trang trí

 Lớp mạ trang trí bảo vệ

c) Phân loại lớp mạ theo mục đích sử dụng:

- Lớp mạ bảo vệ nền khỏi ăn mòn;

- Lớp mạ trang trí;

- Lớp mạ bảo vệ - trang trí (phổ biến nhất)

d) Phân loại lớp mạ theo bản chất điện hóa đối với thép:

Lớp mạ anot có điện thế

Lớp mạ catot có điện thế DƯƠNG hơn sắt

Ni, Sn, Pb, Cu, Ag, Pt, Au

Che phủ + bảo vệ điện hóa

PHÂN LOẠI LỚP MẠ

PHÂN LOẠI LỚP MẠ

• - Nếu lớp mạ niken trên thép có lỗ xốp sẽ tạo thành

Tại nền anot thép (EoFe2+/Fe = -0,44V):

Fe - 2e- → Fe 2+ (1)

Tại lớp mạ catot niken (EoNi2+/Ni = -0,25V): :

Các phản ứng thứ cấp: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH) 2 (3) 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (4)

2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O

(Gỉ sắt)

Điện một chiều

Lớp kim loại được mạ Catốt ( Vật được mạ )

Bể mạ Anốt

Dung dịch mạ: Nước, muối của ion M n+ , chất đệm và chất phụ gia

• Sơ đồ của quá trình mạ điện :

Vận chuyển ion

NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH MẠ ĐiỆN

Các phản ứng xảy ra trong quá trình mạ điện:

Trên bề mặt anot (cực dương) xảy ra phản ứng oxy hóa

(mất điện tử):

• a) Nếu anot là kim loại mạ tan được, thì xảy ra phản ứng hòa tan kim loại này, để bổ sung cation kim loại mạ cho dung dịch: M – ne- → Mn+

• b) Nếu là anot trơ (không tan được) thì thường xảy ra phản ứng giải phóng khí oxy:

• *Trong dung dịch axit hoặc trung tính (pH ≤ 7) thì:

• H2O – 2e- → 2H+ + O ; O + O → O2

• * Trong dung dịch kiềm (pH > 7) thì:

• 2OH- -2e- → H2O + O; O + O → O2

Trên bề mặt catot (cực âm) xảy ra các phản ứng khử (nhận

điện tử) Sự tạo thành lớp mạ điện chỉ xảy ra khi điện thế catot dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng về phía ÂM một

lượng đủ lớn để thắng được các trở lực gây ra độ phân cực catot (còn gọi là quá thế catot ηc = φcb – φ; [φcb = Điện thế cân bằng của catot; φ = Điện thế phân cực catot khi đã có dòng điện i]

• *Phản ứng chính là tạo lớp mạ trên catot: Mn+ + ne- → M

• *Phản ứng phụ thường là giải phóng khí hyđro:

• a) pH < 7: H+ + e- → H; H + H→ H2

• b) pH≥ 7 : H2O + e- → OH- + H; H + H→ H2

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

Bảo vệ điện hóa kim loại gồm: bảo vệ anot và bảo vệ catot.

9.4 Bảo vệ anot: Chỉ áp dụng được cho các kim loại dễ bị thụ động.

* Nguyên lý bảo vệ anot là áp đặt dòng điện 1 chiều bên ngoài lên kim loại,

để dịch chuyển điện thế anot của kim loại về phía giá trị rất dương, sao cho điện thế anot của kim loại phải nằm trong miền thụ động, nghĩa là:

thái thụ động Sau khi kim loại đã đạt đến trạng thái thụ động, ta chỉ cần

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

Nếu ta đưa vào tấm thép một dòng điện tử liên tục từ bên ngoài vào , tức là

chuyển dịch điện thế kim loại về phía giá trị âm hơn điện thế cân bằng ( E cb Fe2+ /Fe ) thì cân bằng sẽ chuyển từ phải sang trái, nghĩa là sắt sẽ không bị ăn mòn

• Nguyên lý:Bảo vệ catot là phân cực catot kim loại đến giá trị điện thế âm hơn

điện thế cân bằng của phản ứng oxy hóa nguyên tử kim loại trong môi trường chất điện ly, nhằm loại bỏ hoàn toàn hoặc làm giảm mạnh sự ăn mòn điện hóa kim loại.

• Nói cách khác: Bảo vệ catot là biến kết cấu kim loại cần bảo vệ thành điện cực catot của pin ăn mòn

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.5.1 Bảo vệ catot bằng protector

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

- Phản ứng trên anot (protector): Mg  Mg 2+ + 2e

Al  Al 3+ + 3e

Zn  Zn 2+ + 2e

- Phản ứng trên catot thép : O 2 + 2H 2 O + 4e -  4 OH

-Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

b) Các yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm protector:

• Protector phải có điện thế âm hơn điện thế của kim loại cần bảo

vệ [Điện thế của thép carbon trong nước biển vào khoảng

-650mV; protector phải có điện thế từ -800mV đến -1050mV (so với điện cực “Ag/AgCl/nước biển”);

• Protector phải có dung lượng cao và ổn định (Để bảo vệ kết cấu thép trong nước biển, protector phải có dung lượng cao hơn

2300A.h/kg);

• Protector phải có độ phân cực anot nhỏ, để protector dễ hòa tan đồng đều; nghĩa là để protector cung cấp được đầy đủ và liên tục dòng điện tử cho phản ứng khử trên catot thép;

* Protector phải có hiệu suất điện hóa cao (≥ 90%).

Q (A.h/kg)- Dung lượng của protector; η – Hiệu suất điện hóa của protector (%); n- Số điện tử trao đổi; F(A.s)- Hằng số Faraday; M (g)- Nguyên tử gam của kim loại làm protector; Khối lượng protector =1000 g; Thời gian ăn mòn protector 3600s =1h

Ví dụ: Protector kẽm với hiệu suất điện hóa η =0,95

thì dung lượng là:

Thời gian bảo vệ thép của protector xác định theo

công thức:

Trong đó: mpro (kg)– Khối lượng của protector;

Q (A.h/kg) Dung lượng của protector;

i(A/dm2) – Mật độ dòng hòa tan protector;

S (dm2) – Diện tích bề mặt làm việc trung bình của protector

Sơ đồ bảo vệ thép bằng protector trong nước (a) và trong đất (b)

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.5.2 Bảo vệ catot bằng dòng điện 1 chiều bên ngoài

• Nối kết cấu thép cần bảo vệ với cực âm (catot) của nguồn điện 1 chiều bên ngoài

• Cực dương của nguồn điện 1 chiều nối với một vật liệu đóng vai trò anot trong pin ăn mòn Sau khi nối như vậy, điện thế của thép giảm xuống đến giá trị âm hơn điện thế cân bằng của phản ứng oxy hóa nguyên tử sắt, nên kết cấu thép sẽ không bị ăn mòn điện hóa

• Điện thế và dòng điện sử dụng để bảo vệ kết cấu thép hoàn toàn khỏi bị ăn

mòn gọi là điện thế bảo vệ (Ebv) và cường độ dòng điện bảo vệ (Ibv)

*Ebv phải có giá trị ÂM HƠN điện thế ăn mòn Ecor từ -0,2 đến -0,3 V

* Mật độ dòng bảo vệ được thay đổi theo điện trở của hệ thống.

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

Yêu cầu đối với vật liệu làm anot khi bảo vệ catot bằng dòng

điện 1 chiều bên ngoài:

• Anot phải có tốc độ tiêu hao nhỏ khi phân cực;

* Có khả năng làm việc với mật độ dòng điện cao;

* Có độ dẫn điện tốt;

*Độ bền cơ học bảo đảm, dễ chế tạo

Anot thường được chế tạo từ vật liệu ít tiêu hao, như: graphit, gang-silic, hỗn hợp oxyt kim loại… nhưng tốt hơn cả là dùng các loại anot trơ (titan phủ platin, tantan phủ platin, niobi phủ platin)

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

VÍ DỤ 2:Bảo vệ catot thép trong nước biển bằng dòng điện ngoài:

* Khi chưa bảo vệ catot, ăn mòn thép bị khống chế bởi sự khuếch tán của khí oxy hòa tan đến vùng catot của bề mặt thép, mật độ dòng giới hạn iL = icor = 100µA/cm 2 , nên mật độ dòng áp đặt tối đa cũng là 100µA/cm 2 (1A/m 2 ).

*Nếu dùng lớp phủ bền ăn mòn trong nước biển thì có thể giảm đáng kể mật

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

• Sự tăng tốc độ dòng chảy ở bề mặt thép có thể làm tăng mật

độ dòng giới hạn iL từ 100µA/cm2 lên 200µA/cm2

• Nếu giữ nguyên mật độ dòng áp đặt thì tốc độ ăn mòn thép có thể tăng lên 100 lần, từ 0,1µA/cm2 lên 10µA/cm2

• Ngược lại, nếukhốngchế điện thế vẫn ở mức ban đầu thì tốc

độ ăn mòn thép sẽ được giữ nguyên, chỉ có dòng áp đặt tăng lên từ 100µA/cm2 lên 200µA/cm2 để bù cho sự tăng mật độ dòng giới hạn

9.5.3 So sánh phương pháp bảo vệ catot bằng protector (Galvanic Anodes) và bằng dòng điện 1 chiều (Impressed

Dễ bảo dưỡng Có thể thay đổi điện thế

và dòng bảo vệ cho phù hợp với môi trường

Mức độ nguy hiểm do điện giật thấp Có thể tự động hóa Phân bố đều dòng điện

bảo vệ Cụm anot sắp xếp gọn, ngay ngắn

So sánh phương pháp bảo vệ catot bằng protector (Galvanic Anodes) và bằng dòng điện 1 chiều (Impressed Current)

điện giật Chi phí thay thế

protector cao Phải thận trọng khi thiết kế, thi công và lắp đặt

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

*Nơi nào chỉ cần mật độ dòng bảo vệ catot thấp thì dùng protector;

• Nơi nào cần mật độ dòng bảo vệ catot cao thì dùng trạm catot (dùng dòng điện 1 chiều bên ngoài);

• Nếu cần bảo vệ kết cấu thép kích thước lớn thì dùng trạm catot có hiệu quả kinh tế hơn;

• Ở những vùng có điện trở đất lớn hơn 75 ohm.met thì phải dùng trạm catot; * Trong đô thị nên dùng trạm catot và đặt trạm catot tại không gian mở (công viên) để bảo vệ cả chiều dài kết cấu thép; * nơi đất có dòng điện rò thì dùng trạm catot, vì trạm catot không bị ảnh hưởng bởi dòng điện rò;

• Nếu cần bảo vệ nhiều kết cấu thì dùng trạm catot sẽ dễ kiểm soát hơn;

* Nếu không muốn theo dõi thường xuyên thì dùng protector.

Chương IX CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI

KHỎI ĂN MÒN

9.6 Các thiết bị trong hệ thống bảo vệ catot

a) Dây cáp điện gồm ruột dẫn bằng đồng kim loại và 2 lớp vỏ bọc

bên ngoài: Lớp cách điện bao phủ ruột dẫn và lớp cứng chịu lực ở ngoài cùng.

• Lớp cách điện làm bằng pole etylen, poly vinylclorua, nylon …có điện trở cao, khoảng vài trăm mega- ohm (1 mega-ohm = 10 6

ohm) Điện thế làm việc giới hạn của dây cáp điện 660V.

• Dây cáp điện thường có màu khác nhau để phân biệt dây nối cho anot hoặc catot

b) Biến thế - chỉnh lưu dùng cho trạm catot: biến điện thế đường

dây 3 pha (380V) hoặc một pha (110 V, 220V) thành điện thế nhỏ hơn và chuyển dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều Biến thế -

Chỉnh lưu được làm nguội bằng không khí hoặc dầu.