TIỂU LUẬN ĂN MÒN VẬT LIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HĨA HỌC TIỂU LUẬN BẢO VỆ CHỐNG ĂN MỊN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐOÀN MẠNH TUẤN Sinh viên thực Lớp : Khố : : DU ĐỨC HỒNG LONG DHHO10C 2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HĨA HỌC TIỂU LUẬN BẢO VỆ CHỐNG ĂN MỊN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐOÀN MẠNH TUẤN Sinh viên thực Lớp : : DU ĐỨC HỒNG LONG DHHO10C Khố : 2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP.HCM Độc lập – Tự - Hạnh phúc TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ HĨA - // - HỌC - // - NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN Họ tên sinh viên: DU ĐỨC HỒNG LONG MSSV: 14095651 Chun ngành: Cơng nghệ vật liệu Lớp: DHHO10C Tên tiểu luận: Bảo vệ chống ăn mòn vật liệu phương pháp oxy hóa kim loại Nhiệm vụ đồ án: - Cơ sở lý thuyết trình bảo vệ chống ăn mòn vật liệu phương pháp oxy hóa kim loại - Quy trình cơng nghệ sản xuất màng oxyt kim loại nhôm Ngày giao đề tài: ngày tháng năm 2017 Ngày hoàn thành đề tài: ngày tháng 10 năm 2017 Họ tên giáo viên hướng dẫn: Đồn Mạnh Tuấn Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn ThS Đoàn Mạnh Tuấn LỜI CẢM ƠN Con đường đến thành công thật dễ dàng đạt khơng có hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian bước vào học kỳ mới, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Mạnh Tuấn tận tâm hướng dẫn có chia sẻ q báu khơng riêng mơn “Ăn mòn bảo vệ vật liệu” mà chun ngành “Cơng nghệ vật liệu” mà em theo học Nếu khơng có lời hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm sống, lời dạy bảo thầy em nghĩ thu hoạch em khó hồn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy Trong q trình hồn thành tiểu luận này, em gặp khó khăn khâu viết báo cáo áp dụng lần đầu biểu mẫu, khó tránh khỏi sai sót, mong thầy bỏ qua Đồng thời bỡ ngỡ thao tác làm việc mới, bước đầu vào thực tế, tìm hiểu chi tiết lĩnh vực nghiên cứu vật liệu, kiến thức em hạn chế , mong nhận ý kiến đóng góp thầy để em học thêm nhiều kinh nghiệm hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệp tới Sau cùng, em xin kính chúc thầy quý thầy khoa cơng nghệ hóa học thật dồi sức khỏe, tràn đầy niềm tin để tiếp tục thực nghiệp trồng người NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Đoàn Mạnh Tuấn MỤC LỤC CHƯƠNG CƠ SỞ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1.1 Khái niệm ăn mòn kim loại 1.2 Phân loại q trình ăn mòn kim loại 1.2.1 Ăn mòn hóa học 1.2.2 Ăn mòn điện hóa 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng 1.4 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn .3 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU BẢO VỆ VẬT LIỆU NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.2 Các phương pháp oxy hóa nhân tạo điển hình 2.2.1 Phương pháp hóa học 2.2.2 Phương pháp điện hóa 2.3 Nhuộm màu nhôm sau oxy hóa .11 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG OXYT BẢO VỆ VẬT LIỆU TRÊN NỀN NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA 12 3.1 Nhôm anod 12 3.2 Sơ đồ khối quy trình cơng nghệ 13 3.3 Thuyết minh quy trình công nghệ .14 CHƯƠNG CƠ SỞ Q TRÌNH ĂN MỊN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1.1 Khái niệm ăn mòn kim loại Sự phá hủy kim loại hợp kim tác dụng hóa học điện hóa kim loại với môi trường xung quanh gọi ăn mòn kim loại 1.2 Phân loại trình ăn mòn kim loại Người ta phân loại q trình ăn mòn kim loại theo nhiều cách khác nhau: theo cấu q trình ăn mòn, theo điều kiện q trình ăn mòn, theo đặc trưng dạng ăn mòn, Trong tiểu luận này, phân loại ăn mòn theo cấu q trình ăn mòn để dễ dàng nghiên cứu, bao gồm loại : 1.2.1 Ăn mòn hóa học Là q trình ăn mòn tác dụng hóa học kim loại với mơi trường, tn theo định luật động học phản ứng dị thể, Đặc điểm q trình ăn mòn: - Khơng phát sinh dòng điện ăn mòn - Sản phẩm nằm lại bề mặt tiếp xúc kim loại môi trường Sự ăn mòn hóa học thường xảy thiết bị lò đốt, chi tiết động đốt thiết bị tiếp xúc với nước nhiệt độ cao Phản ứng oxy hóa kim loại: xMe + y/2 G2 =MexGy Trong đó: Me kim loại trạng thái rắn G chất ăn mòn thể khí MexGy sản phẩm ăn mòn thường thể rắn Bản chất q trình ăn mòn hóa học q trình oxy hóa - khử, electron kim loại chuyển trực tiếp sang mơi trường tác dụng 1.2.2 Ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hố kim loại tự phá huỷ kim loại tác dụng điện hoá với mơi trường chất điện giải - Q trình oxy hố khử khơng tiến hành chỗ - Tốc độ q trình ăn mòn KL tổng tốc độ ăn mòn nhiều pin cục Chất điện giải thường gặp nước có hồ tan muối, axít, kiềm Ví dụ : phần vỏ tàu biển chìm nước, ống dẫn đặt sâu lòng đất, kim loại tiếp xúc với khơng khí ẩm, Thực chất ăn mòn điện hóa khơng bền nhiệt động kim loại điều kiện làm việc nghĩa kim loại xuất vi pin, chỗ có điện âm anot chỗ có điện dương catot Đặc điểm q trình ăn mòn: - Xuất dòng điện cục - Chỉ vận dụng mơi trường chất điện giải Trong tự nhiên phần lớn kim loại bị ăn mòn chủ yếu xảy ăn mòn điện hóa Các điều kiện ăn mòn điện hóa: - Các điện cực phải khác chất nhau: cặp kim loại khác nhau, cặp kim loại phi kim, cặp kim loại - hợp chất hóa học - Các điện cực phải tiếp xúc với (hoặc trực tiếp gián tiếp qua dây dẫn) - Các điện cực tiếp xúc với dung dịch điện li 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng Ảnh hưởng chất kim loại: Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đến điện tiêu chuẩn, hoạt độ hóa học kim loại Điện tiêu chuẩn kim loại âm hoạt độ hóa học cao, kim loại dễ ăn mòn Tuy nhiên có kim loại (Ni, Cr) điện tiêu chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao tính bền ăn mòn tốt Đó bề mặt hình thành lớp màng oxi hóa sít chặt bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn Như gọi thụ động hóa kim loại Tính chống gỉ kim loại liên quan đến hàm lượng tạp chất độ bóng Tạp chất kim loại nhiều tính chống gỉ Độ bóng kim loại cao, tính chống gỉ tốt Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng lớn tới ăn mòn Nhiệt độ cao, hoạt độ hóa học kim loại dung dịch tăng, làm tăng ăn mòn Ảnh hưởng mơi trường ăn mòn: Tính chống gỉ kim loại có quan hệ trực tiếp tới mơi trường ăn mòn Trong mơi trường khác nhau, tính ổn định kim loại khác 1.4 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn - Bảo vệ vật liệu lớp phủ khuếch tán - Bảo vệ vật liệu phương pháp điện hóa - Bảo vệ vật liệu chất chậm ăn mòn - Bảo vệ vật liệu phương pháp lớp phủ kim loại - Bảo vệ vật liệu phương pháp lớp phủ phi kim loại - Bảo vệ vật liệu hợp chất hóa học CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU BẢO VỆ VẬT LIỆU NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI 2.1 Cơ sở lý thuyết Quá trình bảo vệ kim loại phương pháp oxy hóa kim loại thực chất q trình tạo lớp oxit kèm theo giai đoạn nhuộm màu kim loại phương pháp gia công bề mặt kim loại áp dụng rộng rãi công nghiệp để xử lý bề mặt kim loại Quá trình nằm bước cuối gia công bước chuẩn bị bề mặt kim loại tốt trước sơn phủ nhúng dầu mỡ để bảo vệ chi tiết kim loại đen Mục đích: Al2O3.nH2O + H2SO4 = Al2(SO4)3 + (n+3).H2O Các chất phản ứng khuếch tán vào dung dịch lỗ xốp, khí sản phẩm thoát theo lỗ xốp Một số lưu ý: - Tùy theo chiều dày mong muốn, thời gian anod hóa từ - Trong q trình anod hóa, nhiệt độ dung dịch tăng lên (chủ yếu hiệu ứng Jun - Lenxơ), phải ln có thiết bị để làm lạnh dung dịch - Trong dung dịch điện phân có lượng nhỏ axit oxalic (H2C2O4) khoảng 20 g/l tốc độ tạo màng có chậm song màng oxyt nhận sít chặt có tính tốt - Nhiệt độ anod hóa có ảnh hưởng tới chất lượng lớp oxyt Nhiệt độ cao tốc độ hòa tan Al2O3 lớn, màng oxyt nhận xốp Nhiệt độ anod thấp tốc độ tạo màng chậm, chi phí để làm lạnh dung dịch cao Kết tốt anod hóa nhiệt độ từ -3 đến -5oC - Nhôm hợp kim Al - Mg dễ thu màng dày cứng Thay đổi điều kiện anot hóa Tăng nhiệt độ Tăng mật độ dòng điện Giảm thời gian oxi hóa Giảm Chiều dày tối đa Tính chất lớp oxit Độ bám, Độ cứng tính hấp phụ Độ bền ăn mòn Độ xốp                     nồng độ axit Dùng dòng đổi  chiều     2.3 Nhuộm màu nhôm sau oxy hóa Cách 1: Dùng chất màu hữu truyền thống pha thành dung dịch nhuộm màu; bề mặt nhơm vừa oxy hóa xong nhuộm dung dịch màu nói Nhuộm xong phải “luộc” nước sơi để thực q hình hydrat hóa nhằm bịt kín lỗ xốp hấp phụ màu, tăng độ bền màu cho sản phẩm Cách 2: Kết tủa kim loại vào lỗ xốp màng oxyt dòng điện xoay chiều, kim loại thường dùng coban hay thiếc Màu màng kết tương tác q trình nhuộm màu điện hóa mà có, thay đổi thành phổ màu rộng tùy thuộc vào điều kiện thời gian điện phân Ví dụ, nhuộm màu điện hóa Sn2+ dung dịch H2SO4 20g/l + SnSO4 10g/l có phụ gia dùng dòng xoay chiều cho dải màu rộng từ vàng nhạt sang nâu đến đen tùy theo thời gian điện phân mật độ dòng điện Bề mặt sản phẩm nhơm sau oxy hóa khơng phụ thuộc vào điều kiện tiến hành oxy hóa mà vào thành phần hợp kim nhơm Trong nhiều loại hợp kim nhơm oxy hóa để bảo vệ chống ăn mòn, số hợp kim nhuộm màu số hợp kim cho bề mặt sáng bóng lại Vì chọn quy trình oxy hóa nhuộm màu chưa đủ mà phải phù hợp với loại nhôm hợp kim nhôm 10 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG OXYT BẢO VỆ VẬT LIỆU TRÊN NỀN NHƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HĨA 3.1 Nhôm anod Tấm nhôm trở thành tập hợp anode cực dương bể hoá chất tập hợp cực âm Dòng điện chạy qua bể anodized, làm oxy hố bề mặt nhơm Bề mặt oxy hoá tạo thành lớp vỏ bọc cứng thay cho lớp nhôm thông thường bề mặt nhơm Kết q trình cho đời loại liên kết nhôm cực mạnh gọi nhôm anod (anodized aluminium) Nhơm anod cứng gần kim cương sau trải qua trình anodizing Nhiều cơng trình xây dựng đại sử dụng nhơm anod để làm kết cấu khung nhà thép phần kết cấu hở Nhôm anod nguyên liệu phổ biến dùng cho công nghệ sản xuất đồ gia dụng cao cấp chảo, nồi anod Nhiệt độ phân bổ khắp bề mặt nhôm anod, công nghệ anodizing cho phép bảo vệ hồn hảo Nhơm anod kết hợp với cơng nghệ mạ điện công nghệ anodized lạnh bể anodized làm lạnh nhiệi đ ộ - 40 oC để tạo màu cho bề mặt nhôm anod theo màu đồng, thiếc màu kim loại khác Cũng sử dụng loại chất nhuộm màu để tạo màu trang trí cho nhơm anod Nhờ tính liên kết mạnh bền, nhơm anod dùng cho nhiều ứng dụng khác Rất nhiều loại vệ tinh nhân tạo quay quanh trái đất sử dụng lớp nhôm anod để bảo vệ khỏi mảnh vụn thiên thạch Ngành công nghiệp sản xuất ôtô sử dụng nhiều nhôm anod việc sản xuất vỏ xe phần hở cần bảo vệ xe Các nhà thiết kế nội thất thường sử dụng nhôm anod kết cấu khung cho thiết kế trời, kim loại để sản xuất loại đèn đồ vật trang trí khác Các sản phẩm đồ gia dụng hệ thống máy vi tính vỏ máy điện thoại cao cấp tối ưu hố với phận sử dụng nhôm anod làm vỏ bọc.Nhôm anod khơng phải vật liệu tối ưu cho tất ứng dụng tính chống dẫn điện Khơng giống kim loại khác sắt, q trình oxy hố khơng làm yếu liên kết nhôm Lớp “gỉ nhôm” (aluminium rust) tạo sau q trình oxy hố 11 phần kết cấu nhôm nguyên không chuyển sang thức ăn, hay dễ dàng bị tác động học Điều ứng dụng sản xuất đồ bếp gia dụng với ứng dụng coi độ bền tối quan trọng 3.2 Sơ đồ khối quy trình cơng nghệ Nhơm Nhơm Bể Bểchứa chứachấ chấtẩy tẩy dầu dầumỡ mỡ Bể Bểchứa chứamuối muối khử khửion ion Bể Bểchứa chứanước nước Bể Bểchứa chứanước nước khử khửion ion Bể Bểchứa chứaaxit axit Bể Bểchứa chứanước nước Bể Bểchứa chứanước nước Bể Bểnhuộm nhuộm Bể Bểtrung trunghòa hòa Bể Bểchứa chứanước nước Bể Bểtiền tiền anodized anodized Bể Bểanodized anodized 12 3.3 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Các bước trình điện phân anot dung dịch axit sunfuric tiến hành sau: Trước tiên, tất bề mặt vật liệu tẩy để loại bỏ dầu mỡ lưu giữ bề mặt suốt q trình trước 13 Sau rửa lượng lớn nước Tiếp theo, công đoạn tẩy gỉ axit tiến hành để loại bỏ oxit tự nhiên làm cho bề mặt trơng nhẵn bóng, đồng 14 Giai đoạn rửa lại nước theo sau giai đoạn trung hòa để loại bỏ dư lượng dung dịch xử lý trước 15 Thêm Ince's sau thực để tránh nhiễm bẩn chuyển dung dịch trước vào giai đoạn để có bề mặt Lúc bề mặt vật liệu sẵn sàng cho giai đoạn oxy hóa anod thực cách nhúng phần nhơm dung dịch điện phân Thuật ngữ oxy hóa anod xuất phát từ mặt mà lớp ôxit tạo thành miếng xử lý mà không để kim loại sản phẩm khác bề mặt đơn giản cách đặt nhôm vào cực dương bình điện phân 16 Anod hóa thu cách truyền dòng điện trực tiếp qua dung dịch điện phân Trong điều kiện này, ion H + ion OH- dung dịch điện phân di chuyển đến cực âm cực dương tương ứng Sau vài giây dòng chảy qua, oxy điện phân phát triển cực dương phản ứng với nhôm tạo thành lớp oxit nhơm bề mặt Lớp oxit nhơm mỏng liên tục làm cho dòng sau qua khó khăn Đây gọi lớp rào cản (barrier) 17 Do áp dụng dòng điện liên tục dung môi liên tục dung dịch điện phân nên loạt điểm bắt đầu xuất lớp rào cản tương ứng với nguồn gốc lỗ rỗng lớp anod hình thành Chúng trở nên rõ ràng dòng điện qua Dòng điện phân bố theo hướng xuyên tâm lỗ có hình dạng bán cầu nên cột khác oxit hình thành trước tiên hình thành hình trụ trục chúng, từ ta tìm thấy lỗ rỗng Cuối khoảng cách equi lỗ, trục biến thành dạng khối lục giác vào cuối q trình Một lớp oxit nhơm hình thành hồn tồn Khi lớp anod hình thành, chu kỳ rửa diễn để loại bỏ dư lượng vật chất dư thừa khỏi dung dịch anod hóa từ lỗ rỗng Giai đoạn theo hai hướng: yêu cầu sản phẩm màu tự nhiên giai đoạn nhuộm màu bỏ qua trực tiếp đến giai đoạn rửa bịt kín lỗ 18 Nếu sản phẩm cần nhuộm màu phải qua thêm bước nhuộm màu Tại diễn giai đoạn muối kim loại hợp chất hóa học lắng đọng bên lỗ lớp anod để tạo vật liệu có màu với dải màu đa dạng 19 Khi lớp anod hình thành trình hồn thiện màu sắc, lỗ rỗng phải bịt kín Trước hết cần rửa kỹ nước Theo sau giai đoạn rửa nước khử ion để loại bỏ hoàn toàn dư lượng axit từ lỗ 20 Cuối cấu trúc xốp phải bịt kín bước quan trọng để đạt mức độ chống ăn mòn cao lớp anod Phần lớp anod bao gồm lỗ rỗng oxit bịt kín cách sử dụng hai hệ thống Các hệ thống tương ứng hydrat hóa ngâm tẩm Trong q trình bịt kín hydrat hóa, nhơm anod hóa đặt bể tương đối, lỗ rỗng lớp anod mở Sử dụng nước khử ion hơi, oxit nhơm bắt đầu hydrat tăng thể tích gây đóng kín lỗ rỗng Q trình bịt kín lỗ rỗng phương pháp ngâm tẩm thu cách nhúng nhơm anốt hóa bể chứa với nước khử ion có chứa muối khống chứa lỗ Kết thúc quy trình, ta thu nhôm phủ lớp oxyt với chất lượng mong muốn 21 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thúy Ái, Nguyễn Thạnh Lộc, Đặng Vũ Ngoạn (2015), Anốt hóa cứng cho nhơm số hợp kim nhơm để cải thiện tính chất bề mặt kim loại, Thành phố Hồ Chí Minh [2] Alain Galerie, Nguyễn Văn Tư (2008), Ăn mòn bảo vệ vật liệu, Nhà xuât Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội [3] Hoàng Anh Huy (2016), Bảo vệ kim loại chống ăn mòn, Hà Nội [4] Đồn Mạnh Tuấn (2017), Giáo trình ăn mòn bảo vệ vật liệu, Thành phố Hồ Chí Minh [5] Đặng Thị Thùy (2016), Nghiên cứu tổng hợp nhơm oxit hoạt tính có chất lượng cao, ứng dụng làm chất xúc tác chất hấp phụ quy mô pilôt, Đà Nẵng ... PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐOÀN MẠNH TUẤN Sinh viên thực Lớp : : DU ĐỨC HỒNG LONG DHHO10C Khố : 2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ... TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ HĨA - // - HỌC - // - NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN Họ tên sinh viên: DU ĐỨC HỒNG LONG MSSV: 14095651 Chun ngành: Cơng nghệ vật liệu Lớp: DHHO10C Tên tiểu luận: Bảo vệ chống ăn mòn