Hình 2.9. Đường cong phân cực
Ở Việt Nam hiện nay để xác định đường cong phân cực của lớp phủ thường dùng thiết bị AUTOLAB với phần mềm GPESX EcoChemie BV –Hà Lan.
Trên sơ đồ ta thấy phía trên cực trục tung biểu thị giá trị điện thế âm. Giá trị Vo biểu thị giá trị khác nhau ban đầu của điện thế giữa cực âm và cực dương, VK biểu thị điện thế phân cực của điện cựcâm (giá trị này biểu thị rằng: cực âm luôn luôn là giá trị âm lớn hơn).
VA là điện thế phân của cực dương (biểu thị rằng cực dương luôn luôn là giá trị âm nhỏ hơn). Sự khác nhau về điện thế sẽ làm giảm sự phân cực của cực dương cũng như cực âm. Như vậy tốc độ gỉ cũng như dòng gỉ cũng sẽ giảm đi.
b. Sự khử phân cực
Hiện tượng tác dụng ngược lại với hiện tượng trên chúng ta gọi là sự khử cực. Sự khử cực sẽ phá vỡ sự phân cực(bao gồm cả cực dương và cực âm). Sự khử phân cực là một hiện tượng rất quan trọng, vì nó tạo khả năng cho quá trình gỉ kéo dài .
3. Tính thụ động của kim loại.
Theo bảng 2.1 chúng ta thấy một hiện tượng là : với một kim loại nào đó có điện thế chuẩn âm lớn đáng kể nào đó, kim loại đó chưa phải là bị gỉ một cách mãnh liệt như chúng ta đã nóiở trên . Có thể lấy ví dụ như nhơm là kim loại kém bền vững (có điện thế 1,33) nhưng nếu ở mơi trường khí quyển thì lại là một kim loại có khả năng chống gỉ tốt. Điều đó có thể rằng trên bề mặt của nhôm đã tạo ra một lớp màng bảo vệ bề mặt của nó (lớpơ xít nhơm Al2O3), lớp này có tác dụng bảo vệ sự gỉ tiếp tục- lớp này gọi là màng thụ động.Như vậy chúng ta có thể nói rằng: tính thụ động của kim loại kém bền vững là khả
năng chống gỉ tốt của nó trong mơi trường nhất định nhờ tạo ra một màng bảo vệ (màng thụ động).
Tính thụ động là một đặc trưng của trạng thái bề mặt của kim loại kém bền vững và biểu hiện khả năng chống gỉ lớn trong môi trường hiện hành.
Trên cơ sở hình thành lớp thụ động cho nên các loại thép crơm, thép crơm-niken có khả năng chống gỉrất tốt trong nhiều môi trường.
2. Các chất hãm
Các chất hố học thơng thường đều có khả năng có mặt trong môi trường gỉ, khi chúng thâm nhập vào sẽ làm giảm hoặc tăng tốc độ gỉ của kim loại. Những chất có tác dụng làm giảm tốc độ gỉ chúng ta gọi là các chất hãm (inhibitor). Các chất hãm cho thêm vào môi trường gỉ một số lượng không đáng kể( khoảng 1/1001/1000). Đối với thép không gỉ, người tasử dụng crôm như là chất hãmở mơi trường âm. Khi đó crơm có tác dụng tạo nên một lớp thụ động trên bề mặt của thép. Lớp ơ xít mỏng này (bao gồm cả sắt và crôm) sẽ không hồ tan.
Ngồi ra cịn các loại chất hãm bốc hơi làm cơ sở cho việc bảo vệ tạm th ời các sản phẩm thép khỏi bị gỉ. Ví dụ như dùng chất hãm bốc hơi dicyclohexylamine viết tắt là DCN là loại chất kết tinh, loại chất này bốc hơi chậm bởi sẽhấp thụ trên bề mặt của thép và tạo ra một lớp rất mỏng khi tiếp xúc với nước có trong khơng khí, chất hãm sẽ thủy phân và tạo ra lớp thụ động trên bề mặt kim loại.
Người tasử dụngcác chất hãm bốc hơi chủ yếu để bọc các sản ph ẩm bằng thép cho việc xuất khẩu. Các sản phẩm được bọc bằng một loại giấy đặc biệt, trên đó được quét bằng một lớp DCN. Lớp DCN bảo vệtốt sẽ có tác dụng sau vài năm. DCN rất thích hợp với việc bảo vệ các vật ở kho, nhưng loại này lại khơng thích hợp vớicác kim loại khơng phải là sắt, vì nó có thể gây gỉ xấu hơn.
2.2.3 Gỉ trong mơi trường khí quyển
Gỉ trong mơi trường khí quyển là loại thường gặp: khoảng 80% thiết bị bằng kim loại làm việc trong điều kiện khí quyển, tốc độ ăn mịn trong khí quyển khơng kém tốc độ ăn mịn trongđất và trong nước.Cho nên khoảng 50% lượng kim loại hao tổn do ăn mịn trong khí quyển. Vì vậy vấn đề gỉ trong mơi trường khí quyển có ý nghĩa kinh tế rất lớn .
Đặc trưng cơ bản của kim loại gỉ này là trên bề mặt kim loại có một lớp nước mỏng (gọi là màng nước) màng nước này rất dễ tạo nên trên bề mặt kim loại do sự hấp thụ hơi nước từ trong mơi trường khí quyển.
Trên những bề mặt sạch và nhẵn lý tưởng, lớp nước này cũng có thể tạo ra , khi độ ẩm tương đối của khơng khí đạt tới 100%,nghĩa làở nhiệt độ điểm sương.
Những bề mặt thực tế là những b ề mặt khơng phẳng và khơng nhẵn, chúng có lượn sóng và có độ nhấp nhơ tế vi, bởi vậy trên bề mặt này dễ dàng tạo ra màng nước. Chỉ cần
trong một độ ẩm tương (gọi là độ ẩm tương đối với giới hạn chuẩn, giá trị này thường khoảng 60%) thì lớp màng nước đã hình thành vàở độ ẩm tương đối giới hạn này tốc độ gỉ xảy ra rất mạnh.
Độ ẩm tương đối giới hạn đối với các kim loại có giá trị khác nhau. Trong khí quyển có chứa nhiều chất bẩn thìđộ ẩm tương đối cũng thấp đi.
Ví dụ, do sự có mặt của hơi HCl mà độ ẩm tương đối gi ới hạn đối với thép hoặc kẽm sẽ nhỏ hơn 10%.
Trong các màng nước mỏng đó đều có các khí hồ tan như CO, SO2… sẽ làm cho tốc độ gỉ tăng nhanh, các chất bụi bẩn cũng gây ra sự phá hủy do gỉ, vì các bụi này bám trên bề mặt và tạo ra sự nhấp nhô, như vậy dễ dàng tạo ra các màng nước. Nếu các bụi bẩn là các phần tử than (ở mơi trường khí quyển cơng nghiệp) chúng sẽ đẩy mạnh tốc độ gỉ.
Gỉ trong khí quyển có thể chia làm 3 loại chính như sau: a. Gỉ trong khơng khí ướt
Loại gỉ này xảy ra khi ngưng tụ khơng khí ẩm thành màng nước mỏng trên bề mặt kim loại, có thể trơng thấy được khi độ ẩm cao(độ ẩm khơng khí gần 100%). Dạng gỉ này thường gặp khi trời mưa hay nướctrực tiếp bắn lên trên kim loại.
b. Gỉ trong khơng khí ẩm
Gỉ trong khơng khí ẩm xảy ra khi nhiệt độ ẩm tương đối bé (nhỏ hơn 100%). Sự gỉ này xuất hiện dưới lớp nước mỏng do hấp thụ mao quản hay ngưng tụ, lớp nước này quá mỏng, mắt ta không trông thấy được.
c. Gỉ trong khơng khí khơ
Loại gỉ này hồn tồn khơng có lớp ẩm trên bề mặt kim loại.
Trong thực tế dạng ăn mịn này có thể chuyển hố thành dạng ăn mịn khác rất khó phân biệt. Khi xét về cơ cấu của ba loại trên người ta thấy chúng có những đặc điểm rất khác nhau.
Cơ cấu gỉ trong khơng khí ướt có thể nói gi ống như gỉ trong chất điện giải. Đó là sự làm việc của những vi pin.
Ngượclại loại gỉ trong khơng khí khơ, lại là dạng gỉ hố học đơn thuần . Cơ cấu gỉ của chúng giống như cơ cấu gỉ hố học nhưng vì nhiệt độ thấp nên tốc độ gỉ khơng đáng kể. Ví dụ:Ở sắt chiều dày màng gỉ thông thường khoảng 30 40m
Đối với gỉ trong khơng khíẩm là dạng gỉ phổ biến nhất, đặc điểm gỉ là trên bề mặt của kim loại có màng nước mỏng mà mắt ta khơng nhìn thấy được. Màng mỏng này hình thành là do các nguyên nhân sau:
- Do hiện tượng ngưng tụ mao quản. Khả năng ngưng tụ mao quản trên bề mặt phụ thuộc vào dạng bề mặt (lồi lõm ) và áp suất hơi bão hoà trên các bề mặt.
P1=P0l-25V/RTr (2.11)
P1 và P0 –áp suất hơi bão hịa trên bề mặt lõm có bán kính r và áp suất hơi bão hồ trên bề mặt phẳng có sức căng bề mặt ở nhiệt độ T.
V- thể tích phân tử của chất lỏng. R- hằng số khí
- Do hiện tượng ngưng tụ hấp thụ . Do tác dụng liên kết giữa phân tử nước và bề mặt rắng, lực này gọi là lực hấp thụ. Ngưng tụ hấp thụ sẽ tạo ra lớp nước mỏng.
- Do ngưng tụ hoá học. Đây là sự liên tục phát triển của ngưng tụ hấp thụ ở dạng liên kết hố học với vật liệu đó là sự tạo thành hợp chất hydrô trên bề mặt kim loại, sản phẩm gỉ là tinh thể hydrat hố.
2.2.4 Gỉ trong đất
Có rất nhiều cấu trúc làm việc dưới đấ t như các ống nước, các ống dẫn, dây cáp, các cơng trình ngầm, v.v… cho nên kim loại cũng bị gỉ và việc chống gỉ dưới đất cũng là một vấn đề quan trọng.
Quá trình gỉ dưới đất cũng giống như gỉ trong chất điện giải và thuộc loại gỉ điện hố nhưng gỉ điện hố trong đất có rất nhiều đặc điểm liên quan đến cấu tạo và tính chất của lớp đất.
2.2.5 Gỉ trong nước biển
Nước biển là chất điện giải, vì trong nước biển có nhiều chất hoà tan, những thành phần của muối. Những thành phần cùa muối ở trong nước biển rất khác nhau ở mỗi khu vực. Trong nước biển các muối nói chung hồ tan và phân ly thành các ion
như Cl-, SO4-, HCO3-, Br-, Na+,Mg+, K+, ngồi ra cịn có các phần từ khác như ơzơn , iốt, brơm tự do. Nói chung các chất này có độ dẫn điện khá cao. Tất cả các hợp kim, kim loại (trừ magiê và hợp kim của nó) làm việc trong nước biển đều bị gỉ.
Quá trình gỉ trong nước biển là q trình gỉ điện hố cho nên có thể vận dụn g các định luật của gỉ điện hoá.
2.2.6 Gỉ do dòngđiện rò
Rất nhiều thiết bị và đường ống, dây cáp làm việc ngầm dưới đất bị gỉ do tác dụng của dòngđiện rò.
Dòngđiện từ các nguồn điện khác nhau đi qua đất và dẫn qua các thiết bị dưới đất gọi là dòngđiện rò. Gỉ do dòng điện rò chủ yếu là dịng điện một chiều (dịngđiện xoay chiều coi như khơng ảnh hưởng).
Các dòng điện dò này thường có ở vùng gần dẫn điện (như đường dây tàu điện). Sinh ra dịngđiện rị là do cáchđiện khơng tốt. Dịngđiện rị này sẽ qua những vùng có điện trỏ nhỏ, đó là các thiết bị đường ống, v.v…Có thể chia các thiết bị, đường ống ra làm ba vùng:
Vùng trung hịa là vùng khơng có dịngđiện đi từ đất vào, vùng này khơng bị gỉ do dịng điện rị.
Vùng catot là vùng dòng điện đi đất vào ống, vùng này không gây ra ảnh hưởng gỉ.
Vùng anot là vùng dòngđiện đi từ ống đi qua đất, vùng này sẽ bị gỉ. Ví dụ, nếu dịng điện bên ngồi khoảng 200-300A, trong điều kiện thường,đường,đường ống dẫn có dịngđiện rị là 10 -20A và cứ 1A trong một năm phá hủy 9-10kg Fe, 11kg Cu, 37 kg Pb.
2.2.7 Gỉ cấu trúc
Loại gỉ này cũng rất nguy hiểm,nó xảy ra giữa các tinh thể ,tiếp tục phát triển theo chiều sâu và dọc tinh giới hạt (tinh thể) dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn chi tiết. Loại gỉ này thường xảy ra ở kim loại như thép và các kim loại khác. Khuynh hướng dẫn đến sự gỉ này có thể là do nung nóng khi hàn, khi nung nóng. Gỉ này sinh ra sẽ là giảm sức bền của thép và dần dần dẫn đến phá hủy.
Ngoài các dạng gỉ thông thường trên, trong lĩnh vực về gỉ còn gặp các loại gỉ khác như gỉ sinh ra do tải trọng cơ học (tải trọng kéo ,tải trọng tác dụng đổi chiều….)
2.3 Bảo vệ chống gỉ
2.3.1 Khái niệm chung về bảo vệ chống gỉ
Sự cần thiết của việc bảo vệ chống gỉ, tính kinh tế, các yêu cầu kỹ thuật khác của kết cấu, chi tiết kim loại dẫn đến việc cần thiết phải chú ý ngay từ đầu đến công tác thiết kế cấu trúc gắn liền với nhiệm vụ bảo vệ chống gỉ cho chúng.Giả định rằng: một kết cấu thép làm việc trong vùng khí quyển bao quanh, nếu khơng có xử lý bề mặt (bảo vệ chống gỉ) thì chỉ sử dụng được 35 năm. Sau thời giannày do tác hại của gỉ ,kết cấu không thể tiếp tục được nhiệm vụ của nó nữa. Nếu kết cấu đỡ được thay bằng kết cấu mới với lớp sơn (hoặc đem phục hồi với lớp sơn) thì tuổi thọ của kết cấu sẽ cho thêm 35 năm nữa với phí tổn bằng 30% giá trị chi tiết mới.Như vậy sự gỉ của chi tiết bị giảm đi và tuổi thọ của nó đã kéo dài gấp 2 lần. Nghĩa là tăng thêm 35 năm. Bằng cách xử lí bề mặt ngay từ đầu, vậy sau 35 năm đầu chỉ mất có 35% phí tổn, nhưng đã bảo vệ được 50% giá trị kết cấu mới. Bởi vậy đã tiết kiệm được 20% trong 35 năm đầu. Tiếp theo tiết kiệm được thêm 20% trong 35 nămtiếp theo. Điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn của xử ký bề mặt đối với những kết cấu thép như cầu, thiết bị,đường dẫn điện…..
Bảo vệ lâu dài là bảovệ theothời gian tuổi thọ của chi tiết, nghĩa là trong thời gian đó người ta vẫnsửdụng sản phẩm.
Bảo vệ trước mắt (tức thời) tức là bảo vệ trong một thời gian nhất định trước lúc sử dụng.
Có thể chia bảo vệ chốnggỉ thành các nhóm sau: Chọn vật liệu và các phương pháp chế biến nó. Xử lý mơi trường gỉ.
Bảo vệ gỉ điện hóa. Bảo vệ bằng lớp phủ.
Bảo vệ chống gỉ trong vùng nhiệu đới. Bảo vệ trước mắt (tức thời).
2.3.1.1 Chọn vật liệu và gia cơng
Để tổng qt chúng tao có thể nói rằng :kim loại và hợp kim nếu cang ít tạp chất bẩn, ứng suất dư ít (đã quaủ),bề mặt càng nhẵn thì khả năng chóng gỉ càng tốt.
Hợp kim có cấu tạo là một pha, theoquan điểm về khả năng chống gỉ, tốt hơn hợp kim nhiều pha, vì các pha khac nhau sẽ có điện thế khác nhau do đó sẽ tạo ra các vi pin gỉ. Trừ trường hợp là gang và hợp kim Al-Si thì tính chất này khơng thíchứng, mặt khác một số trường hợp cần phải chú ý đến ý nghĩa thực tế của tính thụ động của kim loại (như Al). Vì vậy ,về nguyên tắc nên tránh các liên kết của các kim loại có các điện thế chuẩn quá khác nhau. Nếu như trong thiết kế các liên kết này thật cần thiết thì phải chú ý đến sự xuật h iện nguy hiểm của các vi pin gỉ. Ví dụ, trong kỹ thuật điện thường xảy ra vấn đề khi nối dây nhôm và dây đồng.
Trong công việc chọn kim loại, kết cấu của vật liệu cũng như khi chọn cách bảo vệ bề mặt của chúng cho các môi trường xâm thực khác nhau,người thiết kế cũng như người thi công kết cấu phải chú ý trước tiên đến các tính chất sau:
a) Các chi tiết phải được bảo vệ theo yêu cầu làm việc của chi tiết, nghĩa là phải được bảo vệ trạng thái kim loại theo thời gian(tuổi thọ) lâu dài của chi tiết, không cho phép xuất hiện các sản phẩm gỉ nhìn thấy được.
b) Các chi tiếtmáy phải bỏa vệ được tính chất, cấu trúc cơ sở của mình (ví dụ, sức bền). Trong đó khơng có sự xuất hiện các sản phẩm gỉ ở bề mặt làm việc cũng như bên ngồi.Sau đó quyết định tốc độ gỉ của kim loại và sự bảo vệ các chi tiết. Sự bảo vệ này được xác định trên các tình chất,kết cấu theo thời gian tuổi thọ.
Ví dụ, đối với các chi tiết nhỏ (như lị xo , vít,vv…) thường chọn vật liệu chống gỉ hoặc vật liệu quý (đồng thau,đồng thanh,…) thì khơng cần xử lý bề mặt.
Ở những dụng cụ điện có sự tiếp xúc của các kim loại khác nhau bằng mối hàn vảy, cho phép hàn bằng chất trợ dung không gây gỉ như nhựa thông. Lớp hàn vảy sau đó phải được phủ bằng lớp sơn cách điện và chống ẩm tốt.
Trường hợp lớp hàn vảy với điện thế không giống kim loại hàn sẽ gây ra gỉ, cho nên không cho phép dùng chất trợ dung bao gồm các clorid của kẽm(ZnCl) và các chất xâm