Phảnứng Điện thế tiêu chuẩn cân bằng so với điện
cực hyđrô E0, V Au3++ 3e ↔ Au 1.50 O2+ 4H++ 4e↔ 2H2O 1.23 Ag++ e ↔ Ag 0.80 O2+ 2H2O + 4e↔ 4OH- 0.40 2H++ 2e↔ H2 0.00 Pb2++ 2e↔ Pb - 0.13 Sn2++ 2e↔ Sn - 0.40 Fe2++ 2e↔ Fe -0.44 Cr3++ 3e↔ Cr -0.74 Zn2++ 2e↔ Zn -0.76 Al3++ 3e↔ Al -1.67 Mg2++ 2e↔ Mg -2.37 Na++ e↔ Na -2.71
Thông thường để đo thế điện cực của kim loại phải dùng cách đo so sánh, quy ước điện thế của phản ứng 2H++2e- H2 bằng 0 để làm chuẩn. Cho nên nếu nói rằng
Oxy hóa
M Mn++ne
điện thếso sánh giữa Fe và Cu là 0,78V thì có nghĩa là:
= 0,78 = / − /
Bảng sốliệu điện thế chuẩn của cân bằng oxy hóa- khử ở 250C nêu trên chỉ cho biết xu thế ăn mòn còn trong thực tế để xảy ra ăn mòn cịn phải có dịng điện chạy từ phía ngồi và dịng ion chạy trong chất điện ly giữa hai cực.
Tất cả các kim loại có điện thế thấp hơn điện thế của hydro sẽ bị ăn mịn trong axit (khơng có oxy) đểgiải phóng khí H2 bay ra. Đặc biệt, Cu có thế điện cực cao hơn thế điện cực của H nên không bị ăn mịn, nhưng nếu trong mơi trường axit có oxy thì Cu cũng sẽbị ăn mịn.
b. Đánh giá ăn mòn
Đánh giá theo trọng lượng: số gam kim loại bị ăn mòn trên 1đơn v ị diện tích trong 1 ngày.
G (mg/dm2. ngày)=
Chiều dày bị ăn mịn xâm nhập: chiều dày kim loại bị ăn mịn tính theo năm. S<0,125mm/năm : kim loại rất bền
S<1,125– 1,25mm/năm : kim loại đạt yêu cầu chống ăn mòn S> 1,25mm/năm: khơng đạt u cầu
7.2.3. Các dạng ăn mịnđi ện hóa
Ăn mịn điện hóa là dạng ăn mòn phổ biến hơn cả và phá hủy kim loại nhiều nhất. Các dạng ăn mịn điện hóa được chia ra làm các loại sau: ăn mònđều, ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn do chênh lệch khí, ăn mịn lỗ, ăn mịn tinh giới, ăn mòn nứt do ứng lực, ăn mòn mỏi, ăn mòn lựa chọn hay sựphân rã hợp kim, ăn mòn mài mòn.
a. Ăn mònđều, xảy ra trong điều kiện kim loại đồng nhất, môi trường, nhiệt độvà sự phân bố ứng lực là đồng đều, tốc độ ăn mòn là như nhau trên tồn bộbềmặt kim loại.
b. Ăn mịn tiếp xúc (galvanic), là dạng ăn mịn xảy ra khi có sựchênh lệch điện thế tạo nên một pin ăn mòn.Ăn mòn xuất hiện khi có hai hoặc nhiều kim loại có điện thế điện cực khác nhau được lắp ghép trên cùng một kết cấu, do chúng có thểtiếp xúc dẫn điện lẫn nhau và cùng nằm trong mơi trường ăn mịn vì thếtạo nên một pin ăn mịn.
Ví dụ, khi chế tạo tàu thủy, phần lớn các chi tiết được làm bằng thép, vỏ tàu, bánh lái...nhưng chân vịt lại được làm bằng hợp kim đồng. Ngồi ra cịn có protector bằng hợp kim kẽm hoặc nhôm, tất cả đều được lắp ghép trên một con tàu.
Dạng ăn mòn này thư ờng xuất hiện trong các hợp kim đa pha. Các pha trong hợp kim này có điện thế điện cực khác nhau, sựchênh lệch điện thế điện cực cũng gây nên ăn mòn galvanic giống như khi lắp ghép các vật liệu khác nhau trên cùng một kết cấu.
Ví dụ, các chi tiết bằng đồng thau đúc, hợp kim này cấu tạo gồm hai pha là α giàu Cu vàβ giàu Zn, chúng có điện thế điện cực rất khác nhau.
Giữa các vùng trong hợp kim, sự chênh lệch nồng độ do thiên tích do ba động thành phần...cũng có thểlà ngun nhân tạo nên ăn mịn galvanic.
Hình 7.1. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic) c.Ăn mòn do sựchênh lệch nồng độoxy
Ăn mòn khe là dạng ăn mịn này xảy ra có thể do môi trường không đồng nhất, chẳng hạn sựkhác nhau cục bộ vềthơng khí hịa tan (oxy). Lúc này hình thành một pin chênh lệch khí và gâyra ăn mịn. Trong thực tếcó những khe hở giữa các mặt bích, các joăng, đệm, các mối ghép bằng đinh tán, trong quá trình làm việc do chênh lệch nồng độ oxy,ở nơi nằm sâu trong khe hẹp oxy khơng khuếch tán tới được nên bị ăn mịn.
Hình 7.2. Ăn mịn khe
Hình 7.3. Cơ chế ăn mịn khe
Ăn mịn ở đường mím nước, lớp nước trên bề mặt giàu oxy, lớp nước sát phía dưới nghèo oxy, do đó vật liệu bị ăn mịn tại vùng nghèo oxy theo cơ chếchênh lệch oxy.
Hình 7.4. Một dạng ăn mịn mím nước(1-Vùng ăn mịn, 2-Lớp gỉ sắt)
Ăn mịn chân chim dưới lớp sơn, ăn mịn chân chim ít gây tác hại, song lâu ngày
có thểphát triển phá hủy từng mảng sơn và khởi đầu cho các dạng ăn mòn nguy hiểm khác. Ăn mòn chân chim thường khởi đầuởcác phần lõm trên bềmặt không được tẩy sạch trước khi sơn, do đó cịn đọng lại một lớp gỉ xốp hấp phụcác tạp chất, các muối hoạt tính cịnđọng lại từ dung dịch làm sạch. Kim loại phía dưới bị oxy hóa tạo thành oxit trương phồng lên làm phá hủy màng sơn phía trên. Nước và oxy chui qua vùng sơn bịphá hủy nứt nẻtạo nên cơ chế ăn mòn do chênh lệch nồng độoxy, vùng tâm lớp gỉ nghèo oxy hơn ngoài biên bị ăn mòn.
Ăn mòn ởvùng lắng đọng, lớp cát bùn, tạp chất lắng đọng trên bềmặt cản trở oxy khuếch tán tới tạo lớp thụ động bề mặt gây nên ăn mòn do lắng đọng. Dạng ăn mòn này thường gặp ở các kết cấu cố định, song cũng có thể gặp khi các tàu neo đậu lâu ngàyở vùng nước bẩn tù đọng khơng được thường xun vệsinh.
Hình 7.5. Ăn mịn ởvùng lắng đọngd. Ăn mòn lỗ d. Ăn mòn lỗ
Dạng ăn mòn này thường xảy ra đối với các kim loại và hợp kim có tính thụ động ăn mịn như: Fe, Cr, Al, Ni...các loại thép không gỉ trong môi trường có các anion Cl-, Br-, I-(halogen) bị ăn mịn cục bộdẫn đến tạo ra các lỗ.
kính lỗ. Hiện tượng này xảy ta do các lỗ nhỏ trong lớp phủbảo vệchống ăn mònđ ều (các lớp men, lớp phủ hữu cơ, màng oxyt...). Các lỗ phát triển từtrên bề mặt vào bên trong theo các hướng gần như thẳng góc.
Hình 7.6. Các dạng ănmòn lỗ
Cơ chế ăn mòn lỗ cũng tương tự như cơ chế ăn mòn do sự chênh lệch nồng độ oxy rong mơi trường gây ra.
Hình 7.7. Ăn mịn lỗcủa thép thụ động trong ion Cl-
Ở vùng đấy lỗ nghèo oxy do đó bị ăn mịn và là anot, các vùng khác là catot. Do hiện tượng điện di, các anion Cl- di chuyển đến anot gây nên hiện tượng tập trung anion Cl- ở vùng đáy lỗ, làm mất khả năng tái thụ động, do đó ăn mòn tăng lên. Lỗ càng sâu, vùng đáy lỗ càng nghèo oxy càng gây nên ăn mòn.
Dạng ăn mòn này liên quan đếsựcó mặt của các pha dị thể ở biên giới hạt trong hợp kim. Loại ăn mòn này thư ờng gặp nhất ở thép khơng rỉ vì thép khơng gỉ được hợp kim với lượng Cr trên 12%, với lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến q trìnhăn mịn của thép. Với hàm lượng Cr trên 12% thì màng oxit Cr2O3 xít chặt, tăng lượng Cr thì tốc độ ăn mòn giảm. Tuy nhiên do hiện tượng tiết cacbit Cr làm xuất hiện vùng nghèo Crở lân cận biên giới hạt, do đó thép bị ăn mịn.
Hình 7.8.Ăn mịn tinh giới của thép khơng rỉ.
Hình 7.9.Ănmịn nứt ởbiên giới hạt thép khơng rỉf. Ăn mịn nứt doứng lực f. Ăn mòn nứt doứng lực
Các kết cấu kim loại làm việc trong mơi trường ăn mịn , dưới tác dụng của lực kéo sẽ gây ra nứt, rạn và gãy. Dạng ăn mòn này gây tổn thất kim loại rất nhỏ, nhưng khó có thểnhìn thấy nên rất nguy hiểm.
g. Ăn mịn mỏi
Là hiện tượng ăn m thay đổi có chu kỳ. Do tác xuất hiện hơn.
h.Ăn mòn lựa chọn
Dạng ăn mòn này xả dung dịch rắn, trong đó kim loại nền.
Hình 7.11. k. Ănmịn mài mịn
Sựmài mịn của kim bảo vệvà hiện tượng này
Hình 7.10.Ăn mịn do ứng lực
ăn mòn xảy ra trong các kết cấu kim loại làm tác dụng ăn mòn tạo điều kiện cho các vết
ọn (sựphân rã hợp kim)
y xảy ra trong các điều kiện nhất định đối rong đó kim loại hịa tan cóđiện thế ăn mịn âm hơ
Hình 7.11.Ăn mịn lựa chọn (sựphân rã của hợp kim mài mòn
kim loại thụ động trong mơi trường ăn mịn ày gọi là ăn mịn mài mòn.
làm việc dưới tải trọng ết nứt mỏi đầu tiên dễ
nh đối với các hợp kim là hơn nhiều so với kim
p kim)
a) b) Hình 7.12.Ăn mòn mài mòn a. Ăn mòn cục bộdo chảy rối của chất lỏng trongống ngưng b. Ăn mòn mài mòn do sựsủi bọtở nước làm lạnh trong xylanh
7.3. Bảo vệchống ăn mòn
Đểbảo vệkim loại chống ăn mịn, có ba phương pháp cơ bản:
Sơn phủ bề mặt để cách ly chi tiết với mơi trường ăn mịn phương pháp này rẻ nhưng chỉbảo vệ được lớp mặt.
Hợp kim hóa giảm ăn mịn (ví dụ bằng Cr) các nguyên tố hợp kim sẽ làm tăng điện thế ăn mòn của các pha, làm giảm khả năng bị ăn mịn. Phương pháp này khơng kinh tếvì phải hợp kim hóa tồn khối.
Bảo vệ điện hóa để cho quá trình ăn mịn xảy ra nhưng điều khiển q trình ăn mịn theo hướng có lợi, hoặc tác động vào mơi trường để ngăn cản q trìnhăn mịn.
7.3.1. Sơn phủ
Cách ly môi trường với kim loại bằng một lớp màng. Màng phải liên tục, bán chắc lên bề mặt chi tiết và trơ với môi trường. Cần chuẩn bị bề mặt thật sạch, khơng cịn có các vết oxyt, dầu mỡ...
a. Phủphi kim
-Sơn phủ dùng bitum là phương pháp cổ điển, dùng choống chôn sâu.
-Sơn polyme là phương pháp phổbiếnthường dùng hai lớp sơn, lớp trong là lớp lót có tác dụng ngăn cách chi tiết với mơi trường, đồng thời cũng đảm bảo cho sơn bám chắc vào chi tiết, ngoài là lớp sơn đảm bảo thẩm mỹ. Sơn gồm có bột oxyt, bột Zn, Al, kim loại anơt hoặc chất đóng vai trị ức chế như cromat kẽm và chất đóng vai trị dính kết như polyme, dầu khơ nhanh như dầu sơn, dầu trấu...
- Chất liệu sơn cũng có nhiều phong phú trước đây dùng sơn dầu có chứa PbO, ngày nay có cả sơn acrylic cơ sở nước thuận tiện sửdụng.
-Phương pháp sơn có nhiều tiến bộtừ nhúng, quét, lăn, phun cao áp, ngày nay có sơn tĩnh điện, phun hạt tích điện.
- Tráng men dùng hạt thủy tinh borosilicat-frit cho bao ngoài kim loại rồi nung để thiêu kết và bám dính, sau khi nung lớp men có độcứng cao nhưng dịn.
b. Phủmạkim loại
Tạo một lớp kim loại ở bề mặt chi tiết bằng các cách nhúng trong kim loại nóng chảy (mạnóng), mạbằng điện, mạhóa, phun kim loại (kim loại hóa), hàn, cán.
Mạ điện kim loại dùng đểmạlà Zn, Ni, Cr, Cu. Chi tiết đóng vai trị catơt và anơt là kim loại cần mạ.
Mạ nóng nung chảy kim loại mạ đến nhiệt độ cần thiết rồi nhúng chi tiết cần mạ vào bểkim loại lỏng.
c. Phủbằng phương pháp hóa học
Nhuộm đen, nung thép đến nhiệt độ 350-4500 rồi nhúng vào dầu khoáng vật, bề mặt chi tiết được phủ một lớp oxyt mảng có màu đen ở bề mặt thép. Phương pháp thông dụng là nhuộm đen thép trong hỗn hợp muối nóng chảy có tỉ lệ1:1 của KNO2+ KNO3 hoặc NaNO2+NaNO3 + NaOH2 ở nhiệt độ 310-3500C sau đó rửa sạch bằng nước lạnh, tiếp theo là nước nóng có 2% xà phòng cuối cùng là rửa bằng nước lạnh.
Nhúng chi tiết thép vào bểchứa dung dịch Mn(H2PO4)2 và Fe(H2PO4)2 với nước nóng đểtạo ra lớp photphat sắt màu xám đen khá xít chặtởbềmặt.
7.3.2. Bảo vệ điện hóa
a. Bảo vệcatơt
Chi tiết cần bảo vệ đóng vai trị là một catơt.
Ngun lý dùng một kim loại MÊ có điện thế ăn mịn âm hơn chi tiết M để làm anơt. Trong q trìnhăn mịn, anơt MÊ s ẽ bị ăn mòn và vật thật sẽ được bảo vệ. Ví dụ: để bảo vệthép dùng kim loại có điện thế âm hơn như Zn, Al, Mg để làm anơt hy sinh gọi là protector.
Hình 7.13. Bảo vệcatốt bằng protector1. Thiết bịcần bảo vệ 1. Thiết bịcần bảo vệ
2. Chất bọc protector 3. Proctector Zn
4. Dụng cụkiểm tra
Hình 7.14. Sơ đồbảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dịngđiện ngồi
Với những cơng trình nhỏnên dùng bảo vệbằng protectơ vì giá thành thấp hơn. - Bảo vệbằng dịngđiện ngồi thường dùng cho các diện tích rất lớn.
-Thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng đúng định kỳ.
- Các phương pháp bảo vệ catôt thường dùng kết hợp các lớp bảo vệ cách điện: sơn, bọc nhựa đường, chất dẻo...
b. Dùng anôt trơ graphit
Nguyên lý là dùng anơt trơ để tạo ra dịng điện ngược chiều trong mạch điện ăn mịn dođó sẽgiảm được dịngăn mịn tuy nhiên khóđi ều chỉnh dịng.
Hình 7.15. Ngun lý dùng anôt trơc. Bảo vệanôt c. Bảo vệanôt
Phương pháp này chỉ dùng cho kim loại có khả năng thụ động hóa. Cần trang thiết bịphức tạp, chỉ dùng trong ăn mòn cực cao, trong cơng nghiệp hóa học.
7.3.3. Ăn mịn hóa học
7.3.3.1. Khái niệm và phân loại
khơng điện ly và khí khơ.
Ăn mịn trong dung dịch khơng điện ly, đa số các chất hữu cơ không là chất điện ly, do vậy chúng không dẫn điện nên không xảy ra ăn mịnđiện hóa.
Ăn mịn khí, là q trìnhăn mịn hóa học xảy ra trong khí khơởnhiệt độcao. Ví dụ, sựoxy hóa các chi tiết trong lò nung,động cơ đốt trong, động cơ phản lực...
Ăn mịn khơ chủyếu do phảnứng oxy hóa: + Tạo thành oxyt do tác dụng với oxy trong khơng khí + Tọa sulfua do SO2
+ Tác động của Cl, Be, CO, CO2, H2O.
Đánh giá sự oxy hóa bằng ái lực (∆H0 kJ/mol O2) của kim loại đối với oxy hoặc đối với lưu huỳnh.