Hóa đại cương - Bài 3: Ăn mòn điện hoá

phủ bằng các hợp chất hoá học Là chuyển hoá lớp bề mặt kim loại thành các hợp chất hoá học có tính bảo vệ cao nhờ tác dụng điện hoá hoặc hoá học. 1.2.1. Oxy hoá Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, trong một số trƣờng hợp ngƣời ta tạo màng oxyt trên bề mặt của nó, màng oxyt nhân tạo này tuỳ theo yêu cầu có những tính chẩt đặt biệt: Màng oxyt sít chặt, bám chắc vào kim loại nền, không cho các chất ăn mòn khuếch tán vào kim loại. Màng oxyt có độ cứng hơn kim loại để chịu ứng suất cao hơn so với kim loại. Màng oxyt có khả năng hấp phụ màu, hấp thu dầu mỡ do đó nó có khả năng nhuộm màu và bôi trơn dầu mỡ tốt. Để tiến hành quá trình oxy hóa, ta có thể dùng phƣơng pháp hóa học hoặc phƣơng pháp điện hoá. 1.2.1.1. Oxy hoá kim loại đen Đa số các kim loại đen đều kém bền nhiệt động, trong môi trƣờng khí quyển chúng dễ tạo thành gỉ. Để chống ăn mòn, có thể tiến hành oxy hoá trong môi trƣờng kiềm (môi trƣờng axit ít dùng) ở nhiệt độ sôi có thêm chất oxy hoá nhƣ NO3 -, NO2 -... Thực hiện oxy hoá sắt trong môi trƣờng kiềm, có cấu tạo màng nhƣ sau: Hòa tan sắt trong kiềm tạo thành muối oxyt. 3Fe + 5NaOH + NaNO2 3Na2FeO2 + H2O + NH3 Fe + 2NaOH + NaNO3 Na2FeO2 + NaNO2 + NH3 Oxy hóa muối hoá trị thấp sang muối oxyt hoá trị cao. 6Na2FeO2 + NaNO2 + 5H2O 3Na2Fe2O4 + 7NaOH + NH3 8Na2FeO2 + NaNO3 + 6H2O 4Na2Fe2O4 + 9NaOH + NH3 Tác dụng hai muối này với nhau để tạo thành Fe3O4. Na2FeO2 + Na2Fe2O4 + 2H2O Fe3O4 + 4NaOH Thủy phân 1 phần muối oxyt hoá trị cao, tạo Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. Na2Fe2O4 + (2n+4)H2O 2Fe(OH)3.nH2O + 2NaOH Khử hydrat hóa một phần. Fe2O3.(n+3)H2O Fe2O3.(n+3-k)H2O + k.H2O 92 Cấu trúc màng và chiều dày của nó phụ thuộc vào tốc độ tạo trung tâm tinh thể và phát triển tinh thể đó. Thông thƣờng chiều dày màng oxyt khoảng 2 3 m . Thành phần và chế độ oxy hoá hoá học: KNO3 50 100 g/l. NaOH 650 700 g/l. NaNO2 16 18 g/l. NaNO3 30 35 g/l. NaCl 18 20 g/l. Nhiệt độ 135 140 0C. Thời gian 40 60 phút. Các chi tiết sau khi oxy hoá rửa bằng nƣớc để làm sạch hết vết kiềm. Oxy hóa trong môi trƣờng axit sẽ tạo màng oxyt tốt, độ liên kết, độ bền ăn mòn cao hơn so với oxy hoá trong dung dịch kiềm. Thí dụ: oxy hóa trong dung dịch axit, thành phần và chế độ oxy hoá nhƣ sau: H3PO4 4 10 g/l. Ca(NO3).3H2O 30 100 g/l. MnO2 10 20 g/l. Nhiệt độ 100 0C. Thời gian 40 45 phút. 1.2.1.2. Oxy hoá kim loại màu Đối với quá trình oxy hoá kim loại màu, thông thƣờng oxy hoá đồng và hợp kim của nó. Các kim loại này có thể tiến hành oxy hóa bằng phƣơng pháp hoá học hoặc bằng phƣơng pháp điện hoá. Oxy hoá bằng phƣơng pháp hoá học cho lớp màng oxyt dày 1 m , thành phần là CuO, còn oxy hoá bằng phƣơng pháp điện hoá cho lớp màng oxyt dày 2 5 m , thành phần ngoài CuO còn có Cu2O. Thí dụ: oxy hóa đồng bằng phƣơng pháp hoá học: NaOH 50 g/l. K2S2O8 15 g/l. Nhiệt độ 60 65 0C. Thời gian 5 phút. Để tiến hành nhuộm đồng tạo các màu xanh, đỏ, vàng...ta dùng các dung dịch khác nhau. 93 Thí dụ: nhuộm màu xanh lục cho đồng: K2Cr2O7 150 g/l. H3PO4 10 g/l. Thời gian 40 60 giây. Oxy hoá nhôm: nhôm là kim loại nhẹ, mềm nhƣng rất bền trong mội trƣờng khí quyển, nhôm bền là do màng oxyt bao bọc bên ngoại của nó. Màng nhôm cứng cách điện tốt, màng oxyt có chứa nhiều lỗ xốp ở phía ngoài nên hấp thụ sơn và dầu mỡ tốt. Để tiến hành oxy hoá nhôm có thể tiến hành theo hai phƣơng pháp: Phƣơng pháp hóa học: phƣơng pháp này ít dùng, độ bền màng oxyt không cao, chiều dày màng oxyt d = 0,5 1 m . Thành phần dung dịch và chế độ oxy hoá: Na2CO3 50 g/l. Na2CrO4 15 g/l. NaOH 2 2,5 g/l. Nhiệt độ 80 100 0C. Thời gian 5 10 phút. Phƣơng pháp điện hoá : phƣơng pháp này dùng dòng điện một chiều, các kim loại chi tiết nhôm cần oxy hoá đƣợc nối với cực dƣơng của nguồn điện (đóng vai trò là anod). Điện cực catod chì đƣợc nối với cực âm của nguồn điện (đóng vai trò là catod). Thành phần dung dịch và chế độ oxy hóa: H2SO4 180 200 g/l. ia 1,5 2 a/dm 2. Điện thế 12 13 V. Nhiệt độ 15 30 0C. Thời gian 40 50 phút. Cơ chế tạo thành màng oxyt: Quá trình anot: Al - 3e Al3+ Đồng thời một phần nhôm bị hoà tan. 2Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2 Đồng thời tại anot, ion OH- phóng điện. 4OH- - 4e O2 + 2H2O 94 Quá trình phóng điện của ion OH- đƣợc chia ra thành các giai đoạn sau: 2OH- H2O + O - - O- - O- + e O- O + e 2O O2 2OH- 1/2O2 + H2O + 2e Ion oxy và oxy nguyên tử kết hợp với nhôm tạo thành màng oxyt. 2Al+3 + 3O- - Al2O3 2Al + 3O Al2O3 Quá trình tạo màng mỏng sít xảy ra rất nhanh chóng và chiều dày màng hầu nhƣ không thay đổi suốt trong thời gian oxy hoá. Khi đã tạo màng oxyt thì cũng tồn tại hai quá trình, đó là quá trình tạo thành màng oxyt và quá trình hoà tan màng oxyt do axit H2SO4: Al2O3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O. Quá trình hoà tan này để lại trên bề mặt nhôm những lổ xốp. Ngƣời ta cho rằng màng oxyt gồm có hai lớp, lớp mỏng sít nằm sát bề mặt nhôm(có tác dụng bảo vệ nhôm) ngậm ít H2O và lớp bên ngoài ngậm nhiều H2O. Quá trình tạo màng sít xảy ra rất nhanh chóng, nằm ở giữa chổ bề mặt phân chia giữa kim loại và oxyt. Phần này sẽ phát triển về mọi hƣớng làm cho lớp oxyt dày thêm. Đáy lỗ xốp ở phía ngoài màng sít sẽ xảy ra quá trình hoà tan oxyt tạo bề mặt ngoài có nhiều lỗ xốp. Trên thành các lỗ xốp có phản ứng hydrat hoá Al2O3 + H2O Al2O3.H2O Al2O3 + 3H2O Al2O3.3H2O Hình 4.3: Cấu tạo màng oxyt nhôm. 95 Các chất phản ứng sẽ khuếch tán trong dung dịch của các lỗ xốp. Các khí và các sản phẩm hoà tan phản ứng cúng thoát ra theo lỗ xốp đó. 1.2.2. Photphat hoá kim loại Photphat hoá kim loại là quá trình tạo lên trên bề mặt kim loại màng photphat cuả các kim loại nhƣ : Fe, Mn, Zn. Màng photphat không tan và gắn rất chặt với kim loại nền. Màng photphat xốp, bảo vệ kém, chỉ chịu đƣợc trong môi trƣờng không khí và nƣớc. Muốn cho màng bảo vệ tốt hơn, sau khi phophat hoá phải bôi dầu mỡ hoặc sơn. Cơ chế: nhúng mẫu thép vào dung dịch muối photphat dạng hoà tan (dihydro photphat) của Fe, Mn, Zn. Khi nhúng thép vào dung dịch photphat hoá xảy ra hai quá trình sau : Quá trình anot: Fe - 2e Fe+2. Quá trình catot: 2H+ + 2e H2. Ion H+ đƣợc tạo ra bởi quá trình phân ly của H3PO4 tự do hoặc từ gốc dihydro photphat. Me(H2PO4)2 Me +2 + 2H2PO4 - H2PO4 - H+ + HPO4 -2 HPO4 -2 H+ + PO4 -3 Do đó lớp dung dịch gần mẫu thép giàu ion Fe+2, mặt khác trong dung dịch lại có các ion HPO4 -2, PO4 -3 sẽ tạo trên bề mặt thép lớp phủ phốt phát( do tích số tan của muối FeHPO4, Fe3(PO4)2 rất nhỏ) theo phản ứng sau: Fe+2 + HPO4 -2 = FeHPO4 . Zn+2 + HPO4 -2 = ZnHPO4 . 3Fe+2 + 2PO4 -3 = Fe3(PO4)2 . 3Zn+2 + 2PO4 -3 = Zn3(PO4)2 . Thành phần và chế độ làm việc: Muối Majef 32 g/l. Nhiệt độ 98 100 0C. Thời gian 48 65 phút. 2. Phƣơng pháp bảo vệ điện hoá Trong trƣờng hợp bảo vệ điện hoá thƣờng hay gặp nhất là bảo vệ anot, thông thƣờng chuyển điện thế catot về phía âm hơn. Nối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn điện một chiều hay với các kim loại khác có điện thế điện cực âm hơn. 96 2.1. Bảo vệ bằng Protectơ Nối kết kim loại cần bảo vệ với một kim loại hoặc hợp kim có điện thế điện cực âm hơn điện thế điện cực của kim loại cần bảo vệ trong cùng môi trƣờng ăn mòn (phƣơng pháp này còn gọi là phƣơng pháp anot hy sinh). Khi sử dụng phƣơng pháp bảo vệ bằng protectơ thì kết cấu kim loại có thể hoàn toàn đƣợc bảo vệ hoặc tốc độ ăn mòn giảm đi rất nhiều. Độ dẫn điện của chất điện ly ảnh hƣởng đến phạm vi tác dụng của protectơ. Hiệu quả bảo vệ bằng Protectơ có thể tính bằng công thức sau : 0 2 0 m m m (K K ) Z .100% K Trong đó: - Z : hiệu quả bảo vệ (%). - 0m K : tốc độ ăn mòn kim loại trong môi trƣờng điện ly khi chƣa bảo vệ catot. - 2m K : tốc độ ăn mòn kim loại trong môi trƣờng điện ly khi có sử dụng bảo vệ catot. Hình 4.4: Bảo vệ kim loại bằng protectơ. Phƣơng pháp này rất thích hợp và kinh tế để bảo vệ kim loại trong nƣớc biển, trong đất và trong nhiều môi trƣờng điện ly khác. Protectơ thƣờng dùng là hợp kim Al - Zn hoặc hợp kim magiê. Ở môi trƣờng axit, ngƣời ta không sử dụng phƣơng pháp này, vì độ phân cực catot cuả kim loại trong axit rất nhỏ và tốc độ tự hoà tan của kim loại dùng làm protectơ trong môi trƣờng axit cũng rất lớn. 2.2. Bảo vệ catot bằng dòng điện bên ngoài Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách nối kim loại cần bảo vệ bằng dòng điện một chiều bên ngoài. Kim loại cần bảo vệ nối với cực âm của nguồn (đóng vai trò là catot) còn cực dƣơng nối với điện cực phụ. 97 Khi có dòng điện chạy qua thì bề mặt kim loại cần bảo vệ đƣợc cực hoá catot, điện thế điện cực của kim loại sẽ chuyển về giá trị âm hơn. Do đó quá trình ăn mòn kim loại bị giảm hoặc hoàn toàn đƣợc bảo vệ, lúc đó điện cực phụ đóng vai trò là anot sẽ bị ăn mòn. Phƣơng pháp này thích hợp bảo vệ cho các ống dẩn nƣớc, dẩn khí, thùng chứa, các thiết bị ngƣng tụ, các thiết bị trao đổi nhiệt. Hình 4.5: Bảo vệ kim loại bằng dòng điện ngoài. 1/ nguồn điện một chiều, 2/ môi trƣờng ngoài, 3/ kim loại cần bảo vệ, 4/anot phụ. Hệ số tác dụng bảo vệ đƣợc tính bằng công thức sau : 0 23 k m m K i Trong đó: - K3 : hệ số tác dụng bảo vệ, độ giảm tổn thất ăn mòn trên mỗi đơn vị mật độ dòng điện catot bảo vệ. - 0m : tổn thất khối lƣợng kim loại trong môi trƣờng ăn mòn khi chƣa bảo vệ catot. - 2m : tổn thất khối lƣợng kim loại trong môi trƣờng ăn mòn khi có bảo vệ catot. - ik : mật độ dòng điện catot. 3. Sử dụng chất làm chậm ăn mòn Chất làm chậm ăn mòn (chất ức chế ăn mòn) là chất mà khi thêm một lƣợng nhỏ vào trong môi trƣờng ăn mòn thì tốc độ ăn mòn điện hóa của kim loại và hợp kim giảm đi rất nhanh. Các chất làm chậm ăn mòn là các hợp chất ion hoặc hợp chất phân tử, chúng hấp phụ trên bề mặt kim loại bị ăn mòn nhờ lực tỉnh điện (lực culong), lực phân tử hoặc lực hoá học. 98 Theo cơ cấu tác dụng, các chất làm chậm ăn mòn có thể chia thành các loại sau: Chất làm chậm anot. Chất làm chậm catot. Chất làm chậm tạo lên trên bề mặt kim loại lớp màng mỏng. Chất làm chậm do tác dụng đồng thời của các loại trên. Các chất làm chậm ăn mòn này chúng hấp phụ trên bề mặt kim loại ăn mòn, tham gia tác dụng ngăn cản hoặc làm chậm quá trình anot và catot hoặc tạo thành lớp màng ngăn cách giữa kim loại và dung dịch điện ly. Dựa vào thành phần của nó chia thành 2 loại: Chất làm chậm ăn mòn vô cơ. Chất làm chậm ăn hữu cơ. Dựa vào tính chất sử dụng của nó chia thành 2 loại: Chất làm chậm trong dung dịch. Chất làm chậm bay hơi. Dựa vào tính chất của môi trƣờng: Chất làm chậm trong axit. Chất làm chậm trong kiềm. Chất làm chậm trong không khí. Chất làm chậm trong nƣớc và dung dịch muối. 3.1. Chất làm chậm ăn mòn trong axit Dùng để tẩy gỉ cho thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp, có thể dùng axit sunfuric hoặc axit clohydric để tẩy gỉ. Khi nhúng thép vào trong dung dịch axit để tẩy gỉ thì tác dụng hoá học giữa axit với lớp gỉ, tạo thành các muối hoà tan theo phản ứng sau: FeO + 2H+ = H2O + Fe +2 Fe3O4 + 8H + = Fe+2 + Fe+3 + 4H2O Fe3O4 + 6H + = 2Fe+3 + 3H2O Lớp kim loại nằm dƣới lớp gỉ cũng tác dụng với axit Fe + 2H+ + mH2O = Fe +2.mH2O + H2 Tác dụng của chất làm chậm ăn mòn là làm giảm lƣợng tổn thất kim loại và lƣợng axit vô ích. Mặt khác nó tránh nguy cơ hydro trên mặt kim loại làm dòn thép và đảm bảo tốc độ tẩy gỉ thích hợp. Các chất làm chậm ăn mòn là các chất nhựa, keo, chất chứa abumin, kiềm sulfit xenluloza, đôi khi ngƣời ta cho thêm các ion Cl-, I- vào dung dịch tẩy 99 gỉ thì sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn của sắt, thép cacbon và thép hợp kim thấp (nếu tăng quá giới hạn nhất định thì tốc độ ăn mòn tăng). Gần đây, ngƣời ta sử dụng Catapin (paradodexil, benzin piridin clorit) làm chất làm chậm ăn mòn. Khi tẩy gỉ bằng axit sunfuric ở nhiệt độ 100 0C, chất làm chậm ăn mòn này tốt hơn rất nhiều so với các chất trên, mặt khác nó cũng là chất nhủ hoá dầu mở động thực vật và là chất tạo màng tốt. Vì vậy khi dùng chất này để tẩy gỉ thì không cần tẩy dầu mở sơ bộ cho các chi tiết kim loại. 3.2. Các chất làm chậm ăn mòn trong nƣớc và trong dung dịch muối Đó là các chất làm chậm ăn mòn có tính chất oxy hoá (NO2 -, NO3 -, CrO4 2, CrO7 2-) và các chất tạo màng (photphat, polyphotphat). Muối natri nitric(NaNO2): dùng làm chất làm chậm ăn mòn cho thép và gang trong dung dịch muối trung tính. Thí dụ: Để bảo vệ thép và gang trong nƣớc thì dùng 0,005% NaNO2, nếu trong dung dịch có chứa 0,05% NaCl thì dùng 0,03% NaNO2. Khi nhiệt độ của dung dịch tăng thì tính bảo vệ của NaNO2 giảm đi. Khi nồng độ NaNO2 trong dung dịch thấp thì hiệu quả làm chậm ăn mòn kém. Việc sử dụng NaNO2 có hiệu quả tốt đối với môi trƣờng ăn mòn có độ pH ≥ 6. Ngƣời ta thƣờng cho NaNO2 vào dung dịch bôi trơn và làm nguội trong các quá trình gia công cắt gọt, cho vào nƣớc cấp cho nồi hơi, hoặc cho vào dầu mở để chống ăn mòn ở các chi tiết đƣờng ống. NaNO2 cũng có tác dụng bảo vệ đồng và hợp kim thiết trong nƣớcvà trong dung dịch muối điện ly. Muối K2Cr2O7 (kali bicromat) và K2CrO4 (kali cromat): đƣợc dùng làm chất làm chậm ăn mòn cho thép và gang ở trong nƣớc, chúng đƣợc sử dụng ở các hệ thống làm lạnh của động cơ đốt trong, nƣớc trong các thiết bị áp lực. Nồng độ sử dụng của các chất ăn mòn phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ dung dịch ăn mòn. Thí dụ: Trong môi trƣờng nƣớc: K2CrO4 : 0,2 ÷ 0,5%. Trong môi trƣờng dung dịch muối clorua 0,1 ÷ 1,0 g/l: K2CrO4 : 2,0 ÷ 5,0%. K2CrO4 : 1,0 ÷ 2,0% (nhiệt độ dung dịch 80 ÷ 90 0C). Nếu dùng K2Cr2O7 thì cần kiềm hóa dung dịch điện ly bằng NaOH đến pH = 8 9. Các cromat này còn đƣợc dùng bảo vệ ăn mòn cho nhôm và hợp kim nhôm trong dung dịch điện ly trung tính, dung dịch kiềm và axit. Thực chất cromat là chất ngăn cản qúa trình anot, cơ cấu tác dụng là sự thụ động hóa bề mặt anot, làm giảm quá trình anot, các ion cromat hấp phụ trên bề mặt kim loại sắt tạo màng, có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn sắt. Các ion sắt 100 xuất hiện trong lỗ xốp của màng bảo vệ, tác dụng với ion cromat tạo thành hợp chất khó tan, kết tủa bao phủ lên lỗ xốp và ngăn cản quá trình hoà tan kim loại sắt. 3.3. Các chất làm chậm ăn mòn kim loại trong điều kiện khí quyển Các chất làm chậm ăn mòn kim loại trong khí quyển hiện nay đã tìm đƣợc trên 3000 chất, các chất này vừa rẽ tiền, tiện lợi và hiệu quả bảo vệ cao. Chúng đƣợc chia thành hai nhóm: Chất làm chậm ăn mòn tiếp xúc. Chất làm chậm ăn mòn bay hơi. 3.3.1. Chất làm chậm ăn mòn bay hơi Là chất có áp suất hơi bảo hoà cao. Ở điều kiện nhiệt độ bình thƣờng, hơi của nó nhanh chóng chiếm hết toàn bộ không gian kín (bọc kín) có tác dụng bảo vệ các chi tiết chứa trong đó. Cơ chế tác dụng của nó nhƣ sau: Các chất làm chậm ăn mòn bay hơi hấp phụ trên bề mặt kim loại ngăn cản quá trình anod và catod. Các chất làm chậm ăn mòn bay hơi có thể tác dụng với các tác nhân gây ăn mòn nhƣ ẩm, khí Các chất làm chậm ăn mòn bay hơi đẩy ẩm ra khỏi bề mặt kim loại làm cho bề mặt hết nƣớc. Ngƣời ta dùng các chất làm chậm ăn mòn bay hơi ở hai dạng: Quét các chất làm chậm ăn mòn bay hơi lên vật liệu bao bì Cho các chất làm chậm ăn mòn bay hơi vào bao bì. Một số chất làm chậm ăn mòn bay hơi thƣờng dùng: Chất làm chậm ăn mòn bay hơi photphat vô cơ, thành phần hổn hợp phối liệu: NaNO2 53 54%. (NH4)2HPO4 39 40%. Na2CO3 6 7%. Các chất này đƣợc trộn điều cho vào các bao bì có chứa chi tiết kim loại cần bảo vệ. Lƣu ý: chúng chỉ bảo vệ đƣợc kim loại đen, các kim loại màu và các hợp kim của nó có thể bị ăn mòn. Các chất làm chậm ăn mòn này có thể nhúng giấy bao gói vào trong dung dịch hoặc quét lên giấy. Thành phần dung dịch gồm 85% nƣớc, 15% là hổn hợp chất làm chậm ăn mòn. Chất làm chậm ăn mòn bay hơi Urôtropin, thành phần dung dịch: Urôtropin (CH2)6N4 15%. NaNO2 15%. 101 Nƣớc 70%. Chất làm chậm ăn mòn bay hơi này có thể bảo vệ kim loại đen khỏi bị ăn mòn trong điều kiện khí quyển, với thời gian bảo vệ lên đến 4 5 năm. Ngoài tính chất bảo vệ, nó còn có tác dụng diệt vi khuẩn, nấm mốc. Chất làm chậm ăn mòn bay hơi benzoat, thành phần phối liệu: Amon benzoat 65%. NaNO2 33%. (NH4)2CO3 2%. Chất làm chậm ăn mòn này sử dụng giống nhƣ các chất làm chậm ăn mòn ở trên nhƣng hiệu quả bảo vệ của nó cao hơn (thời gian bảo vệ trên 5 năm, ở nhiệt độ 50 0C). Ƣu điểm của phƣơng pháp bảo vệ dùng chất làm chậm ăn mòn bay hơi: Không cần các phƣơng pháp gia công bề mặt để bảo vệ cho các chi tiết. Bảo vệ tốt trong các bao bì kín chứa chất làm chậm ăn mòn bay hơi bằng cách gói các chi tiết cần bảo vệ trong giấy tẩm dung dịch chất làm chậm ăn mòn bay hơi, hoặc bỏ các chất này ở dạng bột vào bao bì kín cùng với các chi tiết kim loại cần bảo vệ. 3.3.2. Chất làm chậm ăn mòn tiếp xúc Là chất hoà tan trong dung dịch, và có tác dụng bảo vệ ở vị trí mà nó tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại. Để đánh giá hiệu quả của chất ức chế, thƣờng dựa vào các chỉ tiêu sau: Hiệu quả ức chế: 0 m K K Hệ số tác dụng bảo vệ: 0 m 0 K K Z(%) .100 K Trong đó: K0: tốc độ ăn mòn kim loại trong dung dịch khi không có chất làm chậm ăn mòn (g/m2h). Km : tốc độ ăn mòn kim loại trong dung dịch khi có chất làm chậm ăn mòn (g/m2h). Nhƣ vậy nếu càng lớn và Z càng gần 100 thì chất làm chậm ăn mòn bảo vệ càng có hiệu quả. Chất làm chậm ăn mòn ngày càng đƣợc dùng phổ biến vì rất tiện lợi, kinh tế, thiết bị không phức tạp, hiệu quả bảo vệ lại cao. Các chất làm chậm ăn mòn tiếp xúc thƣờng đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực 102 tẩy rửa kim loại đen và màu (có tác dụng hoà tan gỉ, ít hoà tan kim loại), bảo vệ hoặc hạn chế kim loại bị ăn mòn khi tiếp xúc với các dung dịch có tính chất ăn mòn. Thí dụ: Chất làm chậm ăn mòn tiếp xúc của thép CT3 trong dung dịch H2SO4 25%. Thành phần dung dịch: Urôtropin (CH2)6N4 0,6%. Kali iodua (KI) 0,5%. Chất làm chậm ăn mòn tiếp xúc thƣờng sử dụng là NaNO2, vì các chi tiết khi nhúng vào dung dịch NaNO2 thì chất này hấp phụ trên bề mặt các chi tiết kim loại để tạo thành màng thụ động bảo vệ tốt. Khi để khô thì trên bề mặt kim loại có một lớp tinh thể NaNO2 mỏng, lớp tinh thể này có tác dụng khôi phục lại màng thụ động khi lớp này bị phá hủy bởi các yếu tố bên ngoài. Khi các chi tiết gia công cắt gọt, tiện, phay, có thể bảo vệ tạm thời bằng cách nhúng các chi tiết vào dung dịch có thành phần nhƣ sau: NaNO2 10 15%. Na2CO3 0,3 0,5%. Nhiệt độ 20 30 0C. Để bảo quản các chi tiết bằng thép trong kho, phân xƣởng, ta thực hiện quá trình thụ động hoá nhƣ sau: Nhúng lần thứ 1 vào dung dịch có thành phần nhƣ sau: Na2CO3 5 7%. Na2SiO3 0,4 0,6%. NaNO2 0,2%. Nhúng lần thứ 2 trong dung dịch nóng có thành phần nhƣ sau: Na2CO3 0,2 0,5%. NaNO2 1,5 2,0%. Nhiệt độ 50 70 0C. Nhúng lần thứ 3 trong dung dịch nóng có thành phần: NaNO2 15 17%. Na2CO3 0,3 0,5%. Để bảo quản các chi tiết chống ăn mòn trong một thời gian dài, ta nhúng các chi tiết kim loại vào trong dung dịch NaNO2 có thành phần nhƣ sau: Na2CO3 0,3 0,5%. NaNO2 25 30%. Nhiệt độ 60 70 0C. 103 Thời gian 5 15 phút. Các chi tiết sau khi nhúng dung dịch, để khô rồi bao bọc các chi tiết bằng giấy bao gói hay bọc bên ngoài bằng giấy tẩm parafin khô. Thời gian bảo quản ở các phƣơng pháp trên chỉ bảo vệ kim loại trong khoảng thời gian 1 2 năm, nếu bao bì bằng chất dẻo kín thì thòi gian có thể lên 3 4 năm. Bảo quản bằng dung dịch natri nitrit có những nhƣợc điểm sau: Nếu hàm ẩm của không khí cao, chúng sẽ làm cho chất làm chậm ăn mòn chảy rữa, nồng độ NaNO2 giảm, khi giảm đến một giới hạn nào đó thì tác dụng của chất làm chậm ăn mòn không còn, đôi khi làm tăng nhanh quá trình ăn mòn. Nếu hàm ẩm của không khí thấp thì nƣớc sẽ bay hơi, trên chi tiết sẽ còn đọng muối NaNO2, muối này bong ra làm giảm tác dụng của chất làm chậm ăn mòn. Để bảo vệ các kim loại đen trong khoảng thời gian dài hơn, ngƣời ta đã nghiên cứu và sử dụng dung dịch nhờn natri nitrit. Thành phần của nó nhƣ sau: NaNO2 20%. Na2CO3 0,6%. Glyxêrin 10%. Bột mì 4%. Trong đó NaNO2 là cấu tử chính đóng vai trò bảo vệ, Na2CO3 dùng để trung hoà các cấu tử, glyxêrin thì giữ cho dung dịch không khô, bột mì (đã khuấy chín) có tác dụng làm bám dính chất làm chậm ăn mòn với bề mặt kim loại. 4. Thực hành chống ăn mòn kim loại 4.1. Bảo vệ kim loại bằng protectơ và chất làm chậm ăn mòn 4.1.1. Mục đích thực hành Xác định tính hiệu quả bảo vệ cho thép bằng chất làm chậm ăn mòn và bằng protectơ trong môi trƣờng dung dịch điện ly ăn mòn mạnh. So sánh mức độ hiệu quả của 2 phƣơng pháp này. 4.1.2. Hoá chất dụng cụ Bếp điện. Giấy nhám. Dây dẫn điện. Kiềm điện. Cân phân tích. Becher 250 ml : 6. Mẫu thép CT3 (50x25x2 mm). Mẫu kẽm (50x25 mm). NaOH. Na3PO4. 104 Na2CO3. Urôtrôpin. KI. HCl 1N. 4.1.3. Các công việc chuẩn bị Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm và hoá chất cần thiết. Tính toán và pha các dung dịch có nồng độ cần thiết. Chuẩn bị các dụng cụ đo thí nghiệm, sổ ghi kết quả. 4.1.4. Quy trình a. Thí nghiệm 1: Xác định hiệu quả bảo vệ của chất làm chậm ăn mòn Lấy 2 mẫu thép CT3 (cùng loại) có kích thƣớc 50x25x2 (mm) đem gia công làm sạch gỉ bằng cách chà sạch bằng giấy nhám mịn (P = 400). Rữa sạch 2 mẫu bằng nƣớc, sau đó đem đi tẩy dầu mỡ bằng dung dịch kiềm ở nhiệt độ 70 90 0C, thời gian 20 30 phút. Dung dịch kiềm có thành phần nhƣ sau: NaOH 20 30 g/l. Na3PO4 60 80 g/l. Na2CO3 5 10 g/l. Đem 2 mẫu tẩy gỉ làm sạch oxit trên bề mặt kim loại bằng dung dịch axit H2SO4 loãng (18 20%) ở nhiệt độ 70 90 0C, thời gian 10 20 phút. Rữa mẫu bằng nƣớc nóng, sau đó rữa vào nƣớc lạnh sạch và đem đi sấy khô mẫu ( t0 < 110 0C). Cân mẫu 1 có khối lƣợng m01 và mẫu 2 có khối lƣợng m02 bằng cân phân tích. Cho mẫu 1 vào becher có chứa dung dịch axit HCl 1N. Mẫu 2 cho vào becher có chứa dung dịch HCl 1N, nhƣng có thêm chất làm chậm ăn mòn, có thành phần: Urôtrôpin (CH2)6N4 40 50 g/l. KI 1 2 g/l. Lƣu ý: cả 2 mẫu đƣợc nhúng ngập hoàn toàn vào dung dịch. Sau 3h lấy 2 mẫu ra, rữa sạch bằng nƣớc lạnh, sấy khô (t0 < 100 0C). Cân mẫu 1 có khối lƣợng m1 và mẫu 2 có khối lƣợng m2. b. Thí nghiệm 2: Xác định hiệu quả bảo vệ kim loại bằng protectơ 105 Lấy mẫu thép CT3 có kích thƣớc 50x25x2 (mm), đƣợc đem đi gia công tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ (giống nhƣ thí nghiệm ở trên). Cân mẫu 3 có khối lƣợng m03. Lấy mẫu kẽm nguyên chất có kích thƣớc 50x25 (mm), đem đi chà nhám, làm sạch bề mặt. Cân mẫu 4 (mẫu kẽm) có khối lƣợng m04. Nối thép và kẽm bằng dây dẫn ngoài và nhúng vào dung dịch HCl 1N nhƣ hình vẽ. Hình 4.6: Sơ đồ bảo vệ thép bằng protectơ kẽm. Lƣu ý: Mẫu thép và kẽm đƣợc nhúng thẳng đứng vào trong dung dịch. Cần xác định diện tích mẫu thép và kẽm đƣợc nhúng vào trong dung dịch. Sau 1h, lấy mẫu thép và kẽm đem đi rữa trong nƣớc sạch, làm khô. Cân mẫu thép có khối lƣợng m3 và mẫu kẽm có khối lƣợng m4. 4.1.5. Kết quả thực hành Tính toán kết quả cho thí nghiệm 1: Xác định độ tổn thất khối lƣợng khi không có chất làm chậm ăn mòn và có chất làm chậm ăn mòn. 1 01 1m m m (g). 2 02 2m m m (g). Tính tốc độ ăn mòn kim loại khi không có chất làm chậm ăn mòn và có chất làm chậm ăn mòn: 11 1 m K S .t (g/m2.h). 22 2 m K S .t (g/m2.h). Hiệu quả của chất làm chậm ăn mòn: 106 1 2 K K Hệ số tác dụng bảo vệ: 1 2 1 K K Z(%) .100% K Tính toán kết quả cho thí nghiệm 2: Xác định độ tổn thất khối lƣợng của thép và kẽm 3 03 3m m m (g). 4 04 4m m m (g). Tính tốc độ ăn mòn của thép và kẽm 3 3 3 m K S .t (g/m2.h). 4 4 4 m K S .t (g/m2.h). Trong đó: S3: diện tích mẫu thép đƣợc nhúng trong dung dịch HCl. S4: diện tích mẫu kẽm đƣợc nhúng trong dung dịch HCl. Xác định hiệu quả bảo vệ bằng protectơ cho thép: 1 3 P 1 K K Z (%) .100% K Với K1 đƣợc lấy từ kết quả ở thí nghiệm trên. Dựa vào kết quả thí nghiệm 1, nhận xét về tổn thất kim loại, tốc độ ăn mòn, hệ số tác dụng bảo vệ khi không và có chất làm chậm ăn mòn cho thép. Từ kết quả thí nghiệm 2, nhận xét tốc độ ăn mòn và hiệu quả bảo vệ bằng protectơ cho thép. Viết cơ chế ăn mòn cho thép trong dung dịch HCl. So sánh hiệu quả bảo vệ ở thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2. Nhận xét. 4.2. Bảo vệ kim loại bằng oxy hoá và photphat hoá kim loại 4.2.1. Mục đích thực hành Biến đổi lớp bề mặt kim loại thành các hợp chất hoá học có tính bảo vệ cao nhờ tác dụng điện hoá hoặc tác dụng hoá học, bằng các phƣơng pháp oxy hoá và photphat hoá. 107 So sánh khả năng bảo vệ của các lớp màng này ở trên các mẫu thử. Từ đó rút ra tính năng bảo vệ của nó trong môi trƣờng ăn mòn. 4.2.2. Hoá chất dụng cụ Nhiệt kế 200 0C. Bộ nguồn chỉnh lƣu. Mẫu thép CT