Rỉ mòn hay ăn mòn kim loại là hiện tợng phá huỷ của các vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc điện hóa học do tác dụng giữa kim loại với môi trờng bên ngoài.
Ăn mòn kim loại có nhiều cách phân loại khác nhau: phân loại theo quá trình ăn mòn, phân loại theo môi trờng ăn mòn, theo đặc điểm phá huỷ bề mặt.
Theo quá trình ăn mòn phân ra:
- Ăn mòn hóa học: là sự ăn mòn kim loại do các phản ứng hóa học của kim loại với môi trờng ngoài. Chủ yếu là phản ứng o xy hóa kim loại thờng xảy ra trong
- Ăn mòn điện hóa: là sự ăn mòn kim loại do các phản ứng điện hóa xảy ra ở các vùng kim loại khác nhau trên bề mặt của chúng. Dạng ăn mòn này có phát sinh các dòng điện tử chuyển động giữa các vùng kim loại khác nhau và các dòng ion chuyển động trong dung dịch điện ly theo một hớng nhất định, từ vùng điện cực này đến vùng điện cực khác của kim loại.
2.3.2.1. Ăn mòn hoá học
2.3.2.1.1. Cơ chế ăn mòn hóa học
Đối với các kim loại hóa trị 2 nh Fe thì ăn mòn hóa học gồm các giai đoạn sau:
+ Sự ion hóa kim loại và sự chuyển các ion đó cũng nh sự chuyển các điện tử pha kim loại và oxít:
Fe Fe2+ 2e
+ Sự ion hóa của oxi đợc hấp thụ và sự chuyển hóa các ion đợc hình thành vào lớp oxít : O2hấpphụ O2- + Sự hấp thụ o xi trên bề mặt oxít thụ động FeO + O2 FeO/2O hấp thụ + Sự phát triển các lớp oxít : Fe2+ Fe8/3+ FeO
O2 O3 Fe2 O4 Fe3 FeO Fe Fe/FeO/Fe3O4/Fe2O3/O2
Tóm lại: cơ chế của ăn mòn hóa học là sự hình thành và phát triển các màng oxít bám chặt trên bề mặt kim loại cơ bản. Trong chừng mực nhất định, màng sản phẩm ăn mòn hóa học này có tác dụng ngăn chặn sự xâm nhập của môi trờng bên ngoài vào kim loại bên trong. Màng o xít đó là một trong những điều kiện để giảm quá trình ăn mòn tiếp theo.
2.3.2.1.2. Các nhân tố ảnh hởng đến tốc độ ăn mòn hoá học
1. Tỷ dung : thông thờng lấy tỷ số của ôxít kim loại và thể tích lúc cha bị ăn mòn của lợng kim loại đó để biểu thị tỷ dung
Hầu hết những kim loại nào có tỷ dung nhỏ hơn 1 đều không thể hình thành lớp bảo vệ hoàn chỉnh .Bởi vì lớp ôxít đợc hình thành không thể che kín mặt ngoài kim loại ,ngợc lại nếu tỷ số này quá lớn khi hình thành lớp bảo vệ có thể vì thể tích dãn nở mà phá hoại tính hoàn chỉnh của lớp này nên tác dụng bảo vệ của nó giảm xuống .Thép có tỷ dung 2.14 cho nên lớp ôxít sắt hầu nh không có tác dụng bảo vệ .
2. Tính chống các nguyên tử , điện tử , ion xuyên thấu của lớp bảo vệ cao thì thì tốc độ ăn mòn sẽ chậm
giới của lớp bảo vệ càng cao thì lớp bảo vệ càng khó nứt nẻ , do đó tác dụng bảo vệ của nó càng cao
4. Sự chênh lệch hệ số dãn nở nhiệt của lớp bảo vệ và kim loại : Nếu hệ số dãn nở của lớp bảo vệ và kim loại chênh lệch nhau lớn khi nhiệt độ thay đổi lớp bảo vệ dễ sinh ra nứt nẻ , làm mất tác dụng bảo vệ của nó
2.3.2.2. Ăn mòn điện hoá
2.3.2.2.1. Cơ chế của ăn mòn điện hóa
Thép - cacbon ăn mòn trong không khí ẩm theo cơ chế ăn mòn điện hóa. Trong không khí có chứa o xi, hơi nớc, khí CO2. Khi ta để thép - cacbon trong khí quyển ẩm, tại bề mặt tiếp xúc của thép cacbon, hơi nớc ngng tụ tạo thành màng ẩm. Màng ẩm này hấp thụ các khí o xi và khí cacbonic tạo ra dung dịch điện ly:
CO2 + H2O = H+ + HCO3-
H2O = H+ + OH-
Thép cacbon ngoài Fe còn chứa C và các nguyên tố tạp chất khác. Trong dung dịch điện ly những phần vi mô Fe - C tạo ra vi pin Fe - C. Trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc tạo ra vô số vi pin Fe - C, trong đó sắt hoạt động hóa học mạnh hơn cacbon nên cực âm là sắt (Fe) và cacbon trở thành cực dơng (ca tốt) trong phạm vi pin Fe - C.
Phản ứng ở a nót (cực âm):
Fe - 2e Fe2+
Fe2+ + 2OH- Fe (OH)2↓
Trong không khí Fe (OH)2 một phần biến thành Fe (OH)3
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 ↓
Fe(OH)2 và Fe (OH)3 mất nớc tạo ra rỉ sắt, có công thức tổng quát là: mFeO . nFe2O3 . qH2O : màu nâu đỏ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lớp rỉ này có màu nâu đỏ, xốp do đó không khí ẩm lại tiếp xúc đợc với kim loại dới lớp rỉ làm Fe bị tiếp tục ăn mòn.
Phản ứng phần ca tốt: các điện tử chuyển từ phần a nốt (Fe) tới phần ca tốt . Tại đây xảy ra phản ứng khử ion H+ và O:
H+ + 1e 1/2 H2 ↑
O2 + 4e + 2H2O = 4OH-
Trong dung dịch có sự chuyển dịch các cation F32+ và anion OH- để tạo thành Fe (OH)2 nh trên.
Dòng ăn mòn đợc sinh ra có chiều từ cacbon sang sắt. Nh vậy, thép cacbon theo thời gian tiếp tục bị ăn mòn.
Tóm lại, trong điều kiện khí hậu Việt Nam : ẩm ớt, ma nhiều, sự ăn mòn các chi tiết giá chuyển nói riêng và các chi tiết bộ phận toa xe nói chung chủ yếu là ăn mòn điện hóa. Đây là dạng ăn mòn không thể tránh khỏi trong điều kiện khí hậu nớc ta.
2.3.2.2.2. Các nhân tố ảnh hởng đến ăn mòn điện hóa
1. Bản chất của kim loại :
Đối với thép cacbon bị ăn mòn điện hóa là do nó có tổ chức nhiều pha (thép cacbon có 2 pha phe rít và xê men tít). Và các pha này có thể điện cực khác nhau tạo nên các cặp pin ăn mòn. Để giảm ăn mòn điện hóa ngời ta làm cho thép có tổ chức 1 pha với thành phần đồng nhất hoặc làm cho thế điện cực của 2 pha phe ít và xê men tít trong thép ít chênh lệch nhau, sinh ra dòng ăn mòn nhỏ, tăng tính chống mòn của thép. ngời ta đã chế tạo ra đợc những loại thép không rỉ 1 pha và 2 pha.
Tuy nhiên, do giá thành cao nên đối với các chi tiết giá chuyển hớng dùng chủ yếu là thép cacbon, mà thép này thì khả năng chống mòn điện hóa kém.
2. ảnh hởng của thành phần dung dịch : - ảnh hởng của độ PH trong dung dịch.
Yếu tố này rất quan trọng và đặc trng cả trong điều kiện ăn mòn với sự giải phóng H2 và trong điều kiện ăn mòn với sự khử o xi (O2).
0 14.PH
Tốc độ ăn mòn mm/1năm
Hình 2.17_ quan hệ giữa độ PH và tốc độ ăn mòn
Những kim loại nh Fe, Ni, Cu, Mg, cd, Hg có o xít của nó tan đợc trong a xít nhng không tan trong dung dịch kiềm nên tốc độ ăn mòn của các kim loại này giảm khi độ PH tăng.
- ảnh hởng của o xi hòa tan:
O xi hòa tan trong dung dịch có vai trò: là chất o xi hóa bị khử dễ dàng trên các kim loại, là chất gây thụ động cho kim loại. Ví dụ: Al2O3 vai trò quan trọng th- ờng gặp nhất là chất o xi hóa. Nó làm tăng phản ứng ca tốt ở nồng độ nhỏ và trung bình trong môi trờng trung tính.
- ảnh hởng của nồng độ muối trung tính.
0 Đo khối lượng tính bằng mg/h 0.5 1 1.5 2 Licl Nacl Kcl 3.33 6.66 10 N(mol) Nồng độ
ở khu vực nồng độ nhỏ, khi nồng độ tăng thì tốc độ ăn mòn tăng.ở khu vực nồng độ lớn, khi nồng độ tăng thì tốc độ ăn mòn giảm. Vì khi nồng độ muối tăng làm giảm nồng độ hòa tan của o xi nên tốc độ ăn mòn giảm.
3. ảnh hởng của nhiệt độ
Trong dung dịch axít, nớc khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn tăng. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tăng quá cao thì tốc độ ăn mòn giảm do giảm nhiệt độ, hòa tan của o xi ở trong dung dịch.
0 Tốc độ ăn mòn tính bằng mg/h 20 40 60 80 0.25 0.375 100 120 Nhiệt độ 0C
Hình 2.19_Tốc độ ăn mòn của thép trong nớc phụ thuộc vào nhiệt độ
2.3.2.3. Ăn mòn trong không khí
Hiện tơng ăn mòn kim loại phát sinh trong không khí âm ớt và nhiệt độ bình thờng gọi là ăn mòn trong không khí
2.3.2.3.1. Các yếu tố gây ăn mòn trong không khí
- Điều kiện khí hậu: các vùng khí hậu khác nhau thì tốc độ ăn mòn kim loại khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Sự tạo khoáng, sự axít hóa của nớc ma khí quyển, sự ngng tụ hơi ẩm.
Hơi nớc ngng tụ trên bề mặt kim loại và đồng thời có một số ít nhiều muối rơi trên đó tạo ra màng trên bề mặt kim loại. Quá trình này gọi là sự tạo khoáng.
+ Sự hòa tan các khí ở trong khí quyển vào màng.
+ Sự kết tủa trên bề mặt kim loại của các muối, bụi lơ lửng hòa tan từ không khí. Ví dụ: Muối NaCl, muối Sun fát.
+ Sự làm đông đặc màng bằng các sản phẩm ăn mòn.
2.3.2.3.2. Những yếu tố bên ngoài xác định tốc độ ăn mòn trong khí quyển. + Độ ẩm không khí: độ ẩm không khí là yếu tố quan trọng nhất xác định tốc độ ăn mòn. Đối với các vùng công nghiệp hoặc gần biển thì trong không khí ẩm còn chứa những chất khí hoạt tính nh: SO2, Cl2, H2S và những hạt muối NaCl. Trong không khí ẩm sạch, độ ẩm W = 100% thì sắt (Fe) bị ăn mòn rất yếu, và tăng trăm lần khi độ ẩm tăng từ 70 - 90%.
0 60 80 Độ ẩm tương đối W% Lu?ng an mũn mg/cm² 99 20 40 80 100
Hình 2.20_ Sự phụ thuộc của ăn mòn đối với sắt và độ ẩm của không khí và l- ợng chứa khí SO2 0.01%.
Độ ẩm giới hạn của không khí bắt đầu gây sự ăn mòn đột biến đối với Fe là khoảng từ 60 - 70%, thờng W = 70%.
+ Thành phần của không khí : ảnh hởng rất lớn đến tốc độ ăn mòn .Trong không khí nếu có các loại khí thể có tính hoạt động thì những khí thể đó dễ làm hoà tan trong các khí SO2, Cl2, NH3 … là những tạp chất có hại nhất. Lợng SO2
càng tăng thì tốc độ ăn mòn càng lớn. Các hạt rắn lơ lững và các chất lỏng trong khí quyển nh sun fát amôn, bụi than, muối ăn đợc kết tủa trên bề mặt kim loại chính là tác nhân gây ăn mòn rất lớn .
+ Những hạt ở thể rắn bay vào không khí : nguồn gốc của những hạt loại rắn có trong không khí có thể có từ những mặt sau đây
- Cát , đất , tro do gió thổi từ mặt đất bay vào trong không khí - Sản phẩm của các quá trình đốt các loại nhiên liệu
Mỗi loại hạt trong không khí có tác dụng nhất định làm cho tốc độ ăn mòn tăng lên , nguyên nhân ảnh hởng của nó là tạo thành chất điện phân , phá hoại màng bảo vệ do ăn mòn gây ra