PHẦN 1 : CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.5. PHƢƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI
1.5.1. Phƣơng pháp hợp kim hóa
- Đƣa vào hợp kim các cấu tử có khả năng tạo màng sản phẩm. Ví dụ: Hợp kim Cu – Al, hợp kim Cu – Zn.
- Đƣa vào kim loại các cấu tử làm tăng hoạt tính catơt của hợp kim. - Đƣa vào kim loại các cấu tử làm giảm hoạt tính anơt.
Ví dụ: Hợp kim Cu – Au, N – Cu.
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 23 1.5.2.1. Giảm hàm lượng chất khử phân cực: khử phân cực H+
ta trung hịa mơi trƣờng bằng vôi sống
1.5.2.2. Loại trừ oxi ra khỏi môi trường
- Loại oxi bằng phản ứng hóa học
2 2 2 3 2 4 2 4 2 2 2 O + 2Na SO 2Na SO N H + O 2H O + N Co
- Loại oxi bằng phƣơng pháp vật lí: đun nóng hoặc khuấy cho oxi bay ra, xử lí nƣớc trong chân khơng để giảm nồng độ oxi
1.5.3. Dùng chất ức chế ăn mòn
1.5.3.1. Khái niệm: Chất ức chế ăn mịn là chất khi thêm vào mơi trƣờng một lƣợng nhỏ thì tốc độ ăn mịn điện hóa của kim loại và hợp kim giảm đi rất lớn. Cơ cấu tác dụng của chất ức chế ăn mịn là ngăn cản q trình anơt và catơt hay tạo màng
Để đánh giá tính hiệu qủa của chất ức chế ăn mịn, ngƣời ta dựa vào hai chỉ số sau:
Hệ số tác dụng bảo vệ (Z): 0 1
0
K - K
Z = 100 (%)
K
Trong đó: K0: Tốc độ ăn mịn kim loại khi khơng có chất ức chế (g/m2.h) K1: Tốc độ ăn mịn kim loại khi có chất ức chế (g/m2.h)
Hiệu quả bảo vệ (θ): 0
1
K θ =
K
1.5.3.2. Chất ức chế anôt
Thƣờng là những chất oxy hóa, những chất này ngăn cản q trính anơt, nó làm thụ động hóa bề mặt anơt và làm giảm q trình anơt. Những chất làm chậm anơt thƣờng đƣợc sử dụng; K2Cr2O7, Na2CrO4, NaNO2, hỗn hợp NaNO2+NaNO3,...
1.5.3.3. Chất ức chế catôt
Thƣờng là những chất hấp thụ oxy, do đó làm giảm tốc độ ăn mịn do sự khử phân cực oxy. Ngồi ra, những chất này làm giảm hiệu ứng của catôt hay giảm bề mặt catôt. Những chất làm chậm catôt thƣờng đƣợc sử dụng: Na2SO3, Ca(HCO3)2, NH2-NH2, ZnSO4,...Ngồi ra, cũng có một số ion kim loại nhƣ: As3+
, Bi3+ trong môi trƣờng axit chúng sẽ phóng điện trên catôt để tạo thành As hay Bi. Quá thế hidro trên các kim loại này cao hơn quá thế hidro trên thép
1.5.3.4. Chất ức chế hữu cơ
Ngày nay, ngƣời ta đã tìm ra trên 3000 chất làm chậm ăn mịn, trong đó đa số là chất làm chậm hữu cơ. Tác dụng của chất làm chậm hữu cơ là hấp phụ lên bề mặt kim loại và làm giảm tốc độ ăn mòn
Ảnh hƣởng chất hấp phụ đến tốc độ ăn mòn là do hai nhân tố chính: - Mức độ bao phủ bề mặt bởi ion hay phân tử của chất làm chậm hữu cơ. - Thay đổi điện thế khi bị hấp phụ
Một số chất làm chậm hữu cơ thƣờng đƣợc sử dụng trong môi trƣờng axit H2SO4 22% nhƣ sau: Tên chất Công thức Nồng độ Z (%) θ (%) Urotrophin (CH2)6N4 1% – 1,2% 96,7 – 98 31 – 47 Thioure (NH2)2CS 0,005% - 0,01% 96 24 – 25 Pyridin C5H5N 1,5% - 2% 40 1,7 1.5.3.5. Chất ức chế bay hơi
Chất làm chậm bay hơi dùng để bảo vệ kim loại khi kim loại đó tiếp xúc với khói hoặc hơi, nên đƣợc gọi là chất làm chậm bay hơi. Chất làm chậm bay hơi có áp suất hơi bão hịa cao, hơi của nó nhanh chóng chiếm đầy thể tích khơng gian kín, sau đó đƣợc hấp phụ lên bề mặt kim loại và bảo vệ kim loại trong một thời gian dài.
1.5.4. Phƣơng pháp bao phủ bảo vệ
1.5.4.1. Bao phủ kim loại
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 25
- Bao phủ catơt: Ngăn nó không cho kim loại nền tác dụng với môi trƣờng. Kim loại phủ có thế điện dƣơng hơn so với kim loại nền trong điều kiện môi trƣờng cần bảo vệ.
- Bao phủ anôt: Kim loại phủ có thế điện âm hơn kim loại nền, khi lớp phủ bị phá hoại cục bộ kim loại nền vẫn khơng bị ăn mịn.
1.5.4.2. Bao phủ bằng hợp chất hóa học
Là phƣơng pháp tạo lớp bề mặt kim loại thành hợp chất hóa học có tính bảo vệ cao nhờ dịng điện hoặc chất phản ứng.
- Oxi hóa: Ngƣời ta oxi hóa bề mặt các chi tiết bằng thép, nhơm...để bảo vệ ăn mịn trong khơng khí. Có thể oxi hóa bằng hóa học hoặc oxi hóa bằng điện để tạo màng oxit có khả năng bảo vệ.
- Photphat hóa: Photphat hóa là tạo trên bề mặt kim loại một lớp màng photphat có khả năng bảo vệ.
- Sunfua hóa: Là tạo trên bề mặt kim loại một lớp màng sunfua ở nhiệt độ cao để bảo vệ các chi tiết bằng thép, gang.
- Nitrat hóa: Tạo trên bề mặt kim loại lớp phủ bảo vệ có chức ion NO2 có tác dụng nhƣ chất làm chậm ăn mòn.
- Nitơ hóa: Thấm nitơ ở nhiệt độ 650 – 750 oC trong bể chứa NH3, ion nitơ chiếm chổ dƣ thừa trong mạng lƣới tinh thể có tính chất bảo vệ ăn mòn kim loại.
1.5.4.3. Bao phủ bằng vật liệu phi kim Bao phủ bằng hợp chất hữu cơ
Bao phủ bằng sơn phủ: là phƣơng pháp cổ điển dùng để bảo vệ kim loại trong khơng khí, nƣớc sơng, nƣớc biển...
Bao phủ bằng vữa trát. Một số vữa trát thƣờng dùng:
- Vữa trát epoxi: Nhựa epoxi, chất độn, chất màu, dung mơi và chất đóng rắn.
- Vữa trát faolit: Gồm Rezolfenol fomandehit, chất độn (bột graphit, amiang), dung môi (ancol etylic).
Bao phủ bằng vật liệu cuộn: Dùng lớp phủ dạng cuộn có thể làm lớp phủ độc lập, ngƣời ta dán lớp phủ dạng cuộn lên bề mặt kim loại cần bảo vệ.
Bao phủ bằng hợp chất vô cơ
- Bao phủ bàng bêtông chịu axit. - Bao phủ vữa trát chịu axit. - Xây lót.
- Bao phủ bằng lớp men.
1.5.5. Bảo vệ kim loại bằng phƣơng pháp điện hóa
1.5.5.1. Bảo vệ catơt bằng anơt hi sinh
Bảo vệ catôt bằng anôt hi sinh là nối kim loại cần bảo vệ với kim loại có điện thế âm hơn trong cùng mơi trƣờng ăn mịn. Kim loại có điện thế âm hơn gọi là anơt hi sinh. Trong quá trình bảo vệ, anơt hi sinh bị ăn mịn dần.
Để bảo vệ các kết cấu bằng thép trong nƣớc biển, ngƣời ta dùng anôt hi sinh là hợp kim Al – Zn hoặc hợp kim Mg
1.5.5.2. Bảo vệ catơt bằng dịng điện ngoài
Là phƣơng pháp bảo vệ kim loại bằng dòng điện một chiều thực hiện bằng các mối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn (đóng vai trị catơt) cịn cực dƣơng nối với điện cực phụ (đóng vai trị anơt) sẽ bị ăn mịn. Ngƣời ta hay dùng đƣờng ống hay đƣờng ray hỏng để làm cực phụ.
1.5.5.3. Bảo vệ anơt bằng dịng điện ngồi
Nếu quá trình thụ động xảy ra trên anơt thì tốc độ ăn mịn giảm đi rất nhiều. Kim loại thụ động hóa điện thế điện cực sẽ chuyển về phía dƣơng hơn.
Đối với một số kim loại để bị thụ động trong dung dịch có mơi trƣờng oxi hóa mạnh và khơng có các anion hoạt động khử thụ động, ta có thể bảo vệ anơt bằng dịng điện ngồi bằng phƣơng pháp cực hóa anơt kim loại cần bảo vệ. Nghĩa là nối kim loại vào cực dƣơng của nguồn điện một chiều bên ngồi làm cho anơt bị thụ động.
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 27
Đặc điểm cấu tạo của thiết bị ảnh hƣởng lớn đến q trình ăn mịn kim loại. Cấu tạo thiết bị khơng hợp lí là ngun nhân tạo ra những vùng hoạt động của kim loại và làm tăng tốc độ ăn mịn. Vì thế, cấu tạo thiết bị hợp lí đƣợc coi nhƣ một biện pháp bảo vệ ăn mịn kim loại hiệu quả. Vì vậy khi thiết kế cần lƣu ý:
- Tránh tiếp xúc trực tiếp giữa các kim loại cùng năm trong môi trƣờng điện li. - Loại bỏ ứng suất, đặc biệt là ứng suất cục bộ không cần thiết.
- Cấu tạo ống thốt khơng đọng lại trong mơi trƣờng ăn mịn. - Tránh ăn mòn cục bộ do chất lỏng chảy dọc thành thiết bị.
- Giảm nhỏ đến mức tối thiểu các khe hẹp trong các mối nối các chi tiết nằm trong dung dịch điện li.
- Tránh các góc chết gây nên tính khơng đồng nhất chất điện li
1.5.7. Tổ hợp các phƣơng pháp bảo vệ
Trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng tổ hợp các phƣơng pháp bảo vệ làm sao cho hợp lí và kinh tế nhất
Thơng thƣờng để bảo vệ kết cấu kim loại trong nƣớc biển ngƣời ta thƣờng kết hợp giữa phƣơng pháp sơn phủ bảo vệ với bảo vệ catôt bằng anôt hi sinh hoặc bảo vệ bằng dịng điện ngồi
Phƣơng pháp oxi hóa hoặc photphat hóa thƣờng sử dụng làm lớp nền cho sơn phủ Ngƣời ta còn sử dụng phối hợp các vật liệu trong kết cấu bảo vệ để đạt đƣợc hiệu quả và kinh tế nhất.
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 2.1. DỤNG CỤ, HÓA CHẤT 2.1.1. Dụng cụ: Cân phân tích. Cân kĩ thuật. Tủ hút chất độc. Becher 100 ml, 250 ml Ống nhỏ giọt.
Dây đồng, dây kẽm, dây sắt, đinh sắt
Tấm kẽm, tấm đồng
Mẫu thép CT3 kích thƣớc 35 × 20 × 2 mm Giấy ráp, giấy lọc, bơng
2.1.2. Hóa chất
NaCl, H2SO4, NaOH
HCl
Dung dịch axeton, ancol
K2Cr2O7, KClO3
2.1.3. Qui trình thí nghiệm
Mẫu khảo sát là thép CT3.
Làm sạch mẫu khảo sát bằng giấy ráp, tẩy dầu mỡ bằng bông tẩm axeton, lau sạch bằng giấy lọc, làm khơ mẫu trong khơng khí khoảng 1 – 2 phút. Sau đó đem cân mẫu trên cân phân tích. Ghi nhận số liệu trƣớc khi khảo sát, mẫu đƣợc nhúng vào dung dịch nghiên cứu. Sau một thời gian khảo sát, đem mẫu ra, rủa sạch bằng nƣớc để loại bỏ sản phẩm ăn mịn, sau đó làm khơ mẫu trong khơng khí rồi đem cân lại trên cân phân tích. Ghi nhận số liệu sau thí nghiệm để tính tốn.
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 29
Mẫu thí nghiệm Cân mẫu thí nghiệm trên cân phân tích
2.2. KHẢO SÁT SỰ ĂN MÕN KIM LOẠI
2.2.1. Khảo sát sự ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp trọng lƣợng
2.2.1.1. Sự ăn mịn kim loại trong mơi trường axit
Khảo sát sự ăn mịn kim loại trong mơi trƣờng H2SO4 với các nồng độ khác nhau, thông qua số liệu khảo sát, tính đƣợc tốc độ ăn mòn tƣơng ứng với từng nồng độ của H2SO4. Theo phƣơng pháp trọng lƣợng, tốc độ ăn mòn kim loại đƣợc tính bằng cơng
thức: 1 2 m
m
m - m Δ
K = =
S×t S×t
Trong đó: Km: Tốc độ ăn mòn kim loại (g/m2.giờ) m1: Khối lƣợng mẫu trƣớc khi khảo sát (g) m2: Khối lƣợng mẫu sau khi khảo sát (g)
S: Diện tích tiếp xúc của mẫu với mơi trƣờng khảo sát (m2 ) t: Thời gian tiến hành khảo sát (giờ)
Pha H2SO4 đặc có nồng độ chính xác là 97,5% thành các dung dịch H2SO4 với các nồng độ là 5% 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%.
Cho H2SO4 vừa pha ở trên vào 7 cốc 100 ml có đánh số lần lƣợt là 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 tƣơng ứng với các nồng độ là 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%.Nhúng mẫu thép vào các cốc trên. Sau một thời gian khảo sát thu đƣợc kết quả nhƣ sau:
Bảng 2.1: Kết quả khảo sát tốc độ ăn mòn kim loại theo nồng độ H2SO4 Thời gian (giờ) Nồng độ axit H2SO4 (%) 5 10 20 30 40 50 60 1 m1 (g) 13,3986 13,5426 13,6944 14,3094 13,5131 15,4691 13,8182 m2 (g) 13,3748 13,3865 13,4207 13,5147 12,6241 15,4581 13,8144 m Δ (g) 0,0238 0,1561 0,2737 0,7947 0,8890 0,0110 0,0038 S mẫu (cm2) 0,00136 0,00140 0,00140 0,00140 0,00140 0,00144 0,00140 Km 17,5 111,5 195,5 567,64 635 7,6389 2,7143 2 m1 (g) 13,2728 14,5687 14,6254 14,3368 14,4785 15,4016 13,7875 m2 (g) 13,2296 14,2531 14,0662 12,7374 12,6918 15,3795 13,7799 m Δ (g) 0,0492 0,3156 0,5592 1,5994 1,7867 0,0221 0,0076 S mẫu (cm2 ) 0,00136 0,00140 0,00140 0,00140 0,00140 0,00144 0,00140 Km 18,0882 112,71 199,71 571,21 638,1 7,6736 2,7143 3 m1 (g) 13,2728 14,5687 14,6254 14,3368 14,4785 15,4016 13,7875 m2 (g) 13,1994 14,0983 13,8064 11,9512 11,8199 15,3679 13,7761 m Δ (g) 0,0734 0,4704 0,8190 2,3856 2,6586 0,0337 0,0114 S mẫu (cm2 ) 0,00136 0,00140 0,00140 0,00140 0,00140 0,00144 0,00140 Km 17,9902 112 195 568 633 7,8009 2,7143 4 m1 (g) 13,1598 14,3687 14,2568 14,3587 14,4552 15,3496 13,7656 m2 (g) 13,0619 13,7471 13,1592 11,1723 10,9216 15,3037 13,7504 m Δ (g) 0,0979 0,6216 1,0976 3,1864 3,5336 0,0459 0,0152 S mẫu (cm2 ) 0,00136 0,00140 0,00140 0,00140 0,00140 0,00144 0,00140 Km 17,9963 111 196 569 631 7,9688 2,7143
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 31
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn theo nồng độ axit sunfuric 0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 70 C(%) Tốc độ ăn mịn
Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn theo nồng độ axit H2SO4 sau 2 giờ khảo sát
Nhận xét: Kết quả khảo sát ở bảng 2.1 và hình 2.1 cho thấy tuy thời gian ngâm mẫu là
khác nhau nhƣng qui luật chung cho thấy trong khoảng nồng độ H2SO4 từ 5% đến 40%, tốc độ ăn mòn kim loại tăng tuyến tính theo nồng độ. Bắt đầu từ nồng độ 50% trở về sau, sự ăn mòn kim loại hầu nhƣ không xảy ra do hiện tƣợng thụ động hóa của kim loại. Kết quả này phù hợp với tài liệu [1] đã đƣa ra. Với mục đích thiết kế bài thí nghiệm, để hiện tƣợng ăn mòn kim loại thể hiện rõ, đồng thời đảm bảo sự an tồn trong khi thí nghiệm, chúng tơi chọn nồng độ H2SO4 là 10% cho các khảo sát tiếp theo. Trong khn khổ một buổi thí nghiệm, chỉ cần chọn thời gian ngâm mẫu 2 giờ là phù hợp.
2.2.1.2. Sự ăn mòn kim loại trong mơi trường trung tính NaCl
Pha NaCl với các nồng độ tƣơng ứng là 2%, 3%, 4%, 5%
Tiến hành thí nghiệm: Đổ dung dịch NaCl đã pha ở trên vào 4 cốc 50ml có đánh số 1,2,3,4 tƣơng ứng với nồng độ NaCl là 2%, 3%, 4%, 5%. Nhúng mẫu thép và miếng đồng vào cốc. Mẫu thép và miếng đồng nối với nhau bằng dây dẫn
Bảng 2.2: Kết quả khảo sát tốc độ ăn mịn kim loại trong mơi trường NaCl theo thời gian Thời gian (giờ) Nồng độ NaCl (%) m1 (g) m2 (g) Δm (g) S (m2) Km (g/m2.giờ) 1 2 19,2050 19,2045 0,0005 0,001055 0,4739 3 19,3364 19,3352 0,0012 0,001055 1,1374 4 19,4414 19,4396 0,0018 0,001055 1,7061 5 19,2056 19,2035 0,0021 0,001055 1,9904 2 2 19,1396 19,1385 0,0011 0,001055 0,5213 3 19,2370 19,2350 0,0020 0,001055 1,1032 4 19,3319 19,3288 0,0031 0,001055 1,4691 5 19,1228 19,1190 0,0038 0,001055 1,8009 3 2 19,0053 19,0038 0,0015 0,001055 0,4739 3 19,1187 19,1154 0,0033 0,001055 1,0426 4 19,2291 19,2245 0,0046 0,001055 1,4533 5 19,0304 19,0255 0,0049 0,001055 1,5481 4 2 18,2254 18,2236 0,0018 0,001055 0,4265 3 18,9506 18,9471 0,0035 0,001055 0,8294 4 18,7758 18,7699 0,0059 0,001055 1,3981 5 18,7665 18,7604 0,0061 0,001055 1,4454 8 2 18,1135 18,1113 0,0022 0,001055 0,2607 3 18,8745 18,8698 0,0047 0,001055 0,5569 4 18,6224 18,6156 0,0068 0,001055 0,8507 5 18,6350 18,6278 0,0072 0,001055 0,8530
SVTH: Trương Minh Nhật Trang 33
Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mòn kim loại theo nồng độ NaCl và theo thời gian ngâm mẫu
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 2 4 6 8 10 Thời gian (giờ) T ố c đ ộ ă n mị n
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mịn theo nồng độ NaCl theo thời gian
Chú thích:
Nồng độ NaCl 2% Nồng độ NaCl 3%
Nồng độ NaCl 4% Nồng độ NaCl 5%
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn kim loại theo nồng độ NaCl sau 2 giờ
0 0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 C(%) Tốc độ ăn m òn
Nhận xét: Kết quả khảo sát ở bảng 2.2 và hình 2.2; 2.3 cho thấy tốc độ ăn mịn tăng tuyến tính theo nồng độ NaCl. Tuy nhiên, khi nồng độ NaCl là 2% thì tốc độ ăn mịn nhỏ, khi nồng độ NaCl từ 4% đến 5 % thì tốc độ ăn mịn lớn đồng thời có hiện tƣợng ăn mịn cục