Ăn Mòn Vật Liệu Và Bảo Vệ Điện Hóa

Giản đồ Pourbaix của nước và oxy hòa tan

Phía dưới đường {a} nước không bền và phải bị phân hủy thành hydrô, phía trên đường {a} nước bền và khí hydrô nếu có mặt phải bị phân hủy thành H+ hoặc nước. Phía trên đường {b}, ở bất kỳ pH nào, nước không bền và sẽ bị oxy hóa thành oxy, phía dưới đường {b} nước bền và oxy hòa tan nếu có mặt phải bị khử thành nước hoặc OH-.

Giản đồ Pourbaix của các kim loại bị ăn mòn

Nếu áp suất = 1 atm thì cả hai phản ứng đều có thế điện cực tính theo phương trình Nernst là.

Pin ăn mòn

• Ăn mòn galvanic
• Ăn mòn do chênh lệch nồng độ oxy 1. Thí nghiệm của Evans

Phenolphthalein (chỉ thị pH) cho thấy sự tạo thành OH- ở catốt bằng việc đổi sang màu hồng và ferricyanua chỉ ra sự xuất hiện của Fe2+ ở anốt bằng việc đổi sang màu xanh dương đậm. Khi nồng độ oxy bị giảm đi ở vùng trung tâm (oxy không khuếch tán vào kịp) thì vùng màu xanh mở rộng, còn vùng màu hồng thì tập trung ở rìa của giọt muối (ở đó oxy dễ khuếch tán vào).

Ăn mòn do ảnh hưởng của quá trình luyện kim 1. Ăn mòn chọn lọc

• Ăn mòn trên biên giới hạt 1. Giới thiệu

Thông thường, khi một kim loại bị ăn mòn thì ở vùng biên giới hạt (nơi tập trung nhiều tạp chất, nhiều sai lệch mạng hơn) có hoạt tính cao hơn so với nền, do đó bị ăn mòn nhanh hơn, nhưng sự chênh lệch này rất nhỏ có thể bỏ qua. Trong một số trường hợp (thường là trong quá trình xử lý nhiệt), do những nguyên nhân khác nhau làm cho biên giới hạt có hoạt tính rất cao, ăn mòn ở biên giới hạt trở nên rất quan trọng có thể gây nên phá hủy nhanh chóng vật liệu.

Ăn mòn lỗ 1. Giới thiệu

• Cho thêm vào thép không gỉ một lượng nhất định các nguyên tử có tính cacbua hóa mạnh như Nb, Ti… Các nguyên tố này sẽ bị cacbua hóa ở nhiệt độ mà crôm vẫn còn trong dung dịch (1080 0C) và tiêu thụ lượng cacbon khuếch tán vào. Ngoài ra, sự điện di của các ion Cl- về phía đáy lỗ dưới tác dụng của điện trường dẫn đến việc tập trung các anion xâm thực trong lỗ, làm cho các vùng bị tấn công khó trở về trạng thái thụ động.

Ăn mòn trong khí quyển

• Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn trong khí quyển 1. Độ ẩm

Không khí xung quanh thường chứa một lượng SO2, chất này phản ứng với nước và oxy hòa tan để tạo H2SO4 trong các lỗ xốp, dẫn đến phản ứng hòa tan một phần màng oxýt tạo thành FeSO4. Muối này bị thủy phân sẽ cung cấp thêm môi trường axít, làm cho màng oxýt dễ hòa tan hơn, mở rộng lỗ xốp trong oxýt sắt từ và cho phép dung dịch điện ly thâm nhập dễ dàng vào bề mặt kim loại nền.

Oxyhóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao 1. Phản ứng oxy hóa

• Cấu trúc lớp oxýt
• Quy luật phát triển màng oxýt
• Hợp kim hóa 1. Crôm
• Môi trường làm việc có tính oxy hóa

Khuyết tật ion chiếm ưu thế là cation xen kẽ, Mi••, được giải phóng ở bề mặt oxýt-kim loại theo phản ứng (8) sẽ di chuyển ngang qua màng oxýt bằng cách nhảy liên tiếp qua các vị trí xen kẽ lân cận để đến bề mặt oxýt-khí, tại đây đã có phản ứng (9) tạo O2- xảy ra. Sự phát triển của màng oxyt các kim loại kiềm và kiềm thổ hoặc oxyt của các kim loại có khả năng bay hơi hoặc thăng hoa một phần ở nhiệt độ cao nên tạo thành các lỗ xốp (Ví dụ: W, Mo và các hợp kim chứa một lượng lớn các kim loại đó) đều tuân theo quy luật bậc nhất.

Thiết kế tránh ăn mòn

• Nguyên tắc thiết kế có chú ý tới ăn mòn 1. Đơn giản hóa hình dáng

Thiết lập các điều kiện tiên quyết cơ bản. Tuổi thọ tính toán của kết cấu, ứng suất cơ áp đặt lên kết cấu, mức độ dễ bảo dưỡng hay sửa chữa sẽ ảnh hưởng đáng kể đến việc lựa chọn vật liệu, phương pháp xử lý bề mặt, phương pháp bảo vệ catốt và mức độ thích hợp của thiết kế. Thông thường khi thiết kế người ta phải trả lời các câu hỏi sau:. b) Thời gian sử dụng kết cấu?. c) Kết cấu có dễ bảo dưỡng không?. d) Có cho phép kết cấu ngưng hoạt động để sửa chữa?. e) Mức độ ăn mòn của môi trường?. g) Kết cấu có thể bị ăn mòn mỏi hay ăn mòn dưới ứng suất hay không?. h) Sự có mặt các yếu tố tạo điều kiện ăn mòn mạnh: nhiệt độ cao?. Khi kết cấu làm việc trong khí quyển, điều kiện địa lý cục bộ sẽ cho biết các mức độ ăn mòn của môi trường: khí hậu (nông thôn, thành thị, biển, gần các nhà máy hóa chất, nhà máy luyện kim), mức độ ngưng tụ ẩm, độ axít và hàm lượng muối của chất lỏng mà kết cấu chứa đựng, hàm lượng bụi và khí ăn mòn trong không khí. Dầu bôi trơn, xăng dầu và các sản phẩm dầu mỏ khác ảnh hưởng gián tiếp đến độ ăn mòn do làm hư hỏng các lớp sơn và vecni bảo vệ. Lựa chọn phương pháp xử lý bề mặt hoặc phương pháp bảo vệ khác Đa số kết cấu đều cần xử lý bề mặt để tăng tính thẩm mỹ và tính chống ăn mòn. Nhà thiết kế tối thiểu phải biết đại cương về các phương pháp xử lý bề mặt, nghĩa là phải trả lời được các câu hỏi sau:. a) Kết cấu sẽ được sơn, phủ nhựa đường, phủ cao su hay phủ kim loại?. b) Kết cấu có dễ bảo dưỡng với phương pháp xử lý bề mặt đã chọn lựa?. c) Tuổi thọ của lớp phủ bề mặt?. d) Có được tự do lựa chọn giữa phương pháp tẩy rửa, phương pháp xử lý, thời gian sấy lớp phủ?. e) Dung sai cho phép?. f) Có thể sử dụng phương pháp bảo vệ catốt hay dùng chất ức chế thay cho lớp phủ bảo vệ?.

Lựa chọn vật liệu

• Độ bền ăn mòn của hợp kim

Chú ý sự thay đổi kích thước do các lớp phủ bảo vệ. Các lớp phủ kim loại hoặc vật liệu khác có thể làm tăng bề dày vách và các kích thước khác của vật liệu ban đầu dẫn đến thay đổi dung sai đã định trước. Định hướng chế tạo và sử dụng. Việc chế tạo, sử dụng và bảo dưỡng kết cấu cũng phải được xem xét trên quan điểm chống ăn mòn. Do đó nhà thiết kế phải chỉ ra trên bản vẽ các đặc tính kỹ thuật của quá trình chế tạo bao gồm vật liệu sử dụng, phương pháp xử lý nhiệt, phương pháp hàn, vật liệu hàn, dung dịch để tôi … Ngoài ra nhà thiết kế còn phải đưa ra các chỉ dẫn làm việc thật dễ hiểu để người sử dụng có thể thao tác, nhằm bảo đảm hư hỏng do ăn mòn là thấp nhất. Độ bền ăn mòn của hợp kim. Tính chịu ăn mòn của hợp kim thường giống với kim loại cấu thành, do đó người ta phân biệt các loại hợp kim sau:. a) Hợp kim thép cacbon b) Hợp kim thép không gỉ c) Hợp kim niken. Trong một vài điều kiện, sự ăn mòn chọn lọc kẽm có thể xảy ra, cho nên người ta thường thêm Sn, As, Sb, P với hàm lượng thấp để giảm mức độ nhạy cảm của hợp kim với loại ăn mòn này.

Giới thiệu

• Chất ức chế ở bề mặt tiếp xúc pha

Có hai loại chất ức chế thụ động: chất có tính oxy hóa như cromát (CrO4-), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) thụ động bề mặt thép khi không có mặt oxy và chất không oxy hóa như natri benzoat, polyphotphat, natri cinamat, tungstenat, molybdat, cần phải có mặt oxy để thụ động thép. Lớp màng bảo vệ có thể là không dẫn điện (còn gọi là chất ức chế điện trở vì làm tăng điện trở của hệ nên sẽ ức chế quá trình) hoặc dẫn điện (màng tự hàn gắn vết 8.2.2. từ một nguồn nào đó. Các hợp chất này ức ch. , nhưng các thành phần. dư, ion nitrit và benzoat có khả năng thụ động thép như. ày là áp suất vừa đủ để duy trì nồng độ chất ức chế trên tất cả bề mặt kim loại. hất một số c ng pha hơi Hợp chất Áp. Ghi chú nứt).

Áp dụng chất ức chế trong công nghiệp 1. Sản xuất dầu

Ăn mòn bên trong bị ảnh hưởng bởi chất làm nguội, tốc độ chảy, mức độ thông gió, nhiệt độ, áp suất, tạp chất trong nước, sản phẩm ăn mòn, điều kiện vận hành và bảo dưỡng hệ thống. Một số chất ức chế (trong chất chống đông) thường dùng là nitrit, nitrat, photphat, silicat, arsenat, cromat (chất ức chế anốt), amine, benzoat, mercapton, photphat hữu cơ (chất ức chế hổn hợp) và dầu nhũ hóa hoặc phân cực (chất tạo màng).

Các vấn đề cần lưu ý khi sử dụng chất ức chế 1. Kỹ thuật áp dụng

Cần chú ý đo tốc độ ăn mòn thường xuyên để bảo đảm duy trì nồng độ chất ức chế ở mức an toàn và kiểm tra mức độ tiếp xúc của chất ức chế với toàn bộ bề mặt kim loại và tạo một lớp màng bền, liên tục. Khi ẩm tiếp xúc với lớp sơn, thì chất ức chế sẽ tiết ra khỏi lớp sơn lót và bảo vệ kim loại, do đó chất ức chế phải có độ tan đủ để tiết ra với lượng vừa đủ, nhưng nếu độ tan quá lớn thì sẽ tiêu tốn rất nhanh.

Phương pháp xử lý bề mặt 1

Lớp phủ biến đổi cấu trúc (structural coating): Chất nền (S) bị biến đổi cấu trúc ở bề mặt và có thể phản ứng với chất phủ (A). Ví dụ: Lớp phủ từ phương pháp xử lý nhiệt (tôi), cơ (bắn phá bề mặt bằng các hạt thép, cát, thủy tinh), bắn ion bề mặt.

Cơ sở lý thuyết

Phương pháp bảo vệ catốt sẽ không kinh tế khi môi trường có tốc độ ăn mòn cao hơn (ví dụ thép trong môi trường axít), đòi hỏi dòng áp đặt cao hơn và biến thế chỉnh lưu lớn hơn. Ngoài ra, phản ứng khử catốt sẽ sinh ra nhiều hydrô có thể gây nguy hiểm, đồng thời các lớp phủ rẻ tiền để giảm dòng điện ngoài thường không chịu được môi trường axít. Phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài a) Bảo vệ catốt cho thép trong môi trường axít. Độ giảm này sẽ phụ thuộc vào độ dốc của đường cong phân cực anốt (hệ số Tafel anốt βa ). Đường cong phân cực catốt sẽ cho biết mật độ dòng điện ngoài áp đặt, iapp, ứng với mỗi mức phân cực catốt. Điều này sẽ không kinh tế, nên phương pháp bảo vệ catốt sẽ không thực tế nếu áp dụng cho các môi trường có tính axít xâm thực với tốc độ ăn mòn cao. b) Bảo vệ catốt cho thép trong nước trung tính thông khí và nước biển.

Các yếu tố thiết kế

(có IRΩ) Khó tìm hệ số Tafel khi có IRΩ. 5) Dòng điện bảo vệ thực chạy từ dung dịch điện ly về bề mặt cấu trúc. Không chỉ định Đúng theo lý thuyết. Khó xác định trong thực tế. Tất cả các tiêu chuẩn trên đều có những khuyết điểm nên chỉ mang tính định tính khi áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, phân cực catốt ở bất kỳ mức độ nào cũng đều có ích, do đó việc sử dụng các tiêu chuẩn trên sẽ tạo ra hệ thống bảo vệ catốt thích hợp nếu nó được đặt dưới sự giám sát của người có kinh nghiệm. Dòng điện rò. Dòng điện rò là dòng điện chạy trong đất từ các trạm xe điện hay dòng cảm ứng sinh ra khi có đường dây điện cao thế chạy song song với đường ống, do đó có khả năng gây ăn mòn tại các điểm mà dòng điện rò chạy từ đường ống về nguồn phát. Ngày nay vấn đề dòng điện rò chủ yếu là do tương tác của hệ thống bảo vệ catốt với các cấu trúc lân cận. Nếu có một cấu trúc có điện trở thấp như đường ống thép chôn ở gần khu vực bảo vệ catốt, thì dòng điện từ hệ thống bảo vệ catốt có thể chạy qua đường ống trước khi trở về bộ nguồn, có khả năng gây ăn mòn cục bộ. Cách giải quyết tốt nhất là nối điện từ chi tiết cần bảo vệ đến cấu trúc lân cận. Điều này có thể dẫn đến tăng số anốt và tăng công suất bộ nguồn nhưng lại bảo vệ được cả hai cấu trúc. VÍ DỤ VÀ BÀI TẬP. MễN ĂN MềN & BẢO VỆ VẬT LIỆU PHẦN VÍ DỤ. Hãy tính điện thế thuận nghịch của phản ứng này. b)- Nếu Fe hòa tan tạo Fe2+, tính thời gian (ngày) để hòa tan hết mẩu sắt biết rằng Fe chỉ bị ăn mòn trên phương đi qua tâm bi, ăn mòn là đều và khi đó diện tích mẩu thay đổi theo thời gian. 2) Một ống sắt hình trụ tròn bị ăn mòn cả phía trong và phía ngoài. Giả sử ăn mòn là đều và ăn mòn theo phương đường kính hình trụ. Xác định tốc độ ăn mòn bên trong và bên ngoài ống. ext int ext. a) Giả thiết rằng diện tích ăn mòn không thay đổi (bằng diện tích ban đầu), xác định khối lượng sắt bị ăn mòn sau 24h. b) Nếu đường kính khối trụ thay đổi theo thời gian, hỏi sau 24 h đường kính khối trụ còn lại là bao nhiêu ?. b) Xác định điện thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn. b) Tìm icor và Ecor. PHẦN BÀI TẬP. 1) Vẽ định tính giản đồ Evans cho trường hợp ăn mòn kim loại trong môi trường trung tính có sục khí oxy. Biết oxy phóng điện ở dòng giới hạn, hảy chỉ ra mật độ dòng trao đổi, điện thế thuận nghịch của kim loại và oxy, mật độ dòng giới hạn, mật độ dòng ăn mòn và điện thế ăn mòn. 2) Vẽ định tính giản đồ Evans cho trường hợp ăn mòn kim loại trong dung dịch axít đã đuổi khí oxy. Chỉ ra mật độ dòng trao đổi, điện thế thuận nghịch của các phản ứng riêng phần, mật độ dòng ăn mòn và điện thế ăn mòn. 3) Vẽ định tính giản đồ Evans cho hai kim loại Fe và Zn nối với nhau và nhúng trong môi trường axít đã đuổi khí. Chỉ ra mật độ dòng trao đổi, điện thế thuận nghịch của hai kim loại, phản ứng điện cực trên các nhánh, mật độ dòng ăn mòn và điện thế ăn mòn. Biết rằng Fe có điện thế lớn hơn Zn nhưng có i0 nhỏ hơn. Tính mật độ dòng ăn mòn icor. 7) Các phát biểu sau là đúng hay sai. a) Điện thế bảo vệ của một kim loại luôn nhỏ hơn điện thế điện cực tiêu chuẩn của nó. b) Điện thế ăn mòn của Crôm ở trạng thái hoạt động luôn lớn hơn điện thế ăn mòn của Crôm ở trạng thái thụ động. c) Tốc độ ăn mòn của một kim loại ở điện thế ăn mòn luôn luôn là không đáng kể d) Điện thế ăn mòn của các kim loại có thể được tính theo phương trình Nernst 8) Cho thí nghiệm sau:. Bình I và II chứa 1 lít dung dịch trung tính giống nhau và đậy kín. Sau 5 giờ, lấy hết sản phẩm ăn mòn trên Fe và Zn. Giả sử Zn và Fe khi hòa tan chỉ tạo ion hóa trị 2. b) Nếu Ecor,Fe nằm ở miền chuyển tiếp giữa khống chế động học và khống chế khuếch tán (Ecor,Fe = 0,2 V), Ecor,Zn nằm ở miền khống chế khuếch tán (Ecor,Zn = - 0,3 V), hãy vẽ đường cong phân cực cho hai hệ và viết phương trình phản ứng điện cực tương ứng trên các nhánh. Hãy xác định nồng độ oxy trong bình I trước khi thí nghiệm. 10) Một ống sắt hình trụ bị ăn mòn cả phía trong và phía ngoài. Giả sử ăn mòn là đều và ăn mòn theo phương đường kính hình trụ. Xác định mật độ dòng ăn mòn bên trong và bên ngoài ống. 11) Một mẫu sắt dạng khối lập phương cạnh 1 cm được đặt trong môi trường ăn mòn. 12) Một protector kẽm dạng tấm phẳng được đặt nằm ngang trong môi trường nước biển có mật độ dòng ăn mòn là 10 A/m2. Giả sử ăn mòn là đều, ăn mòn trên bề mặt phía trên và phía dưới nhưng không ăn mòn xung quanh, hảy xác định thời gian để bề dày bản kẽm giảm đi 30 mm. Vẽ giản đồ Evans và xác định điện thế ăn mòn, mật độ dòng ăn mòn. a) Viết các phương trình phản ứng ăn mòn riêng phần anốt, catốt, phản ứng ăn mòn tổng nếu xem Fe bị hòa tan thành Fe2+. 16) Sắt ăn mòn trong axít có dạng đường cong phân cực sau. a) Xác định icor và Ecor (hãy chỉ trên đồ thị). Mật độ dòng ăn mòn của Fe cũng tương ứng với mật độ dòng giới hạn của oxy trong cùng điều kiện câu f (Cooxy cực tiểu và tốc độ ăn mòn phía trong ống cực tiểu). Hỏi khi hết hoàn toàn lớp Zn phía trong thì Fe ở phía ngoài sẽ bị ăn mòn bao nhiêu mm?. Ex=0: điện thế tại x = 0, ứng với điểm nối từ đường ống đến cực âm của nguồn điện một chiều tại trạm bảo vệ catốt [V]. Ebv: điện thế bảo vệ, là điện thế tại đó Fe bị ăn mòn theo hiệu quả bảo vệ Z cho trước. I: dòng điện của trạm bảo vệ catốt [A]. Rt: điện trở chuyển tiếp đất-ống [Ωm]. x: khoảng cách từ điểm nối đến một vị trí trên đường ống [m]. a) Vẽ sơ đồ nguyên tắc cho một trạm bảo vệ catốt. c) Với điện thế bảo vệ ở câu b, trong các nấc dòng điện của bộ nguồn thì nấc nào có tác dụng bảo vệ, chiều dài bảo vệ và số trạm bảo vệ catốt cần thiết là bao nhiêu?. d) Nếu muốn tất cả các nấc đều có tác dụng bảo vệ thì hiệu quả bảo vệ cực đại là bao nhiêu cho dạng 2?. - Từ chiều dài bảo vệ L xác định số trạm bảo vệ cần thiết. a) Phía trong ống: đường cong phân cực anốt và catốt khi đuổi khí và không đuổi khí có dạng như hình vẽ. b) Phía ngoài ống: đường cong phân cực anốt có dạng như hình vẽ. c) Tính thời gian sử dụng của ống thép khi bề dày ống còn lại 5 mm (ăn mòn cả hai phía) cho cả hai trường hợp đuổi khí và không đuổi khí phía trong ống, còn phía ngoài ống thì có bảo vệ catốt.