Mô đun Ăn mòn kim loại

8/20/2019 Mô đun Ăn mòn kim loại

http://slidepdf.com/reader/full/mo-dun-an-mon-kim-loai 1/116

MỤC LỤC

ĐỀ MỤC

LỜI TỰA ................................................Error! Bookmark not defined.

GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC .................................................................... 3

CÁC HÌNH THỨC HỌC TẬP CHÍNH TRONG MÔN HỌC ......................... 6

YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔN HỌC ................................ 6

Bài 1: MỞ ĐẦU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI ................................................... 8

1. Định nghĩa và phân loại ...................................................................... 8

1.1 Định nghĩa ....................................................................................... 8

1.2 Phân loại ........................................................................................ 8

2. Cấu tạo và liên kết của kim loại và hợp kim ........................................ 10

2.1 Kim loại ......................................................................................... 10

2.2 Hợp kim ........................................................................................ 11

3. Câu hỏi và bài tập. ........................................................................... 14

Bài 2: ĂN MÒN HOÁ HỌC ................................................................... 15

1. Các khái niệm cơ bản ...................................................................... 15

2. Ăn mòn kim loại trong môi trƣờng khí ................................................ 16

2.1 Định nghĩa ..................................................................................... 16

2.2 Khả năng oxi hoá kim loại và độ bền của màng oxit .......................... 17

2.3 Các quy luật phát triển màng và các thuyết phát triển màng ............... 22

2.4 Ăn mòn khí đối với các kim loại và hợp kim ...................................... 26

2.5 Ăn mòn hoá học của các khí đặc biệt đối với kim loại và hợp kim khác

.......................................................................................................... 32

2.6 Các phƣơng pháp bảo vệ ăn mòn khí .............................................. 33

3. Câu hỏi và bài tập. ........................................................................... 37Bài 3: ĂN MÒN ĐIỆN HOÁ ................................................................... 39

1. Những Vấn đề cơ bản về ăn mòn điện hoá ........................................ 39

1.1 Định nghĩa ..................................................................................... 40

1.2 Đặc điểm ....................................................................................... 40

1.3 Nguyên nhân ................................................................................. 40

2. Điện thế điện cực ............................................................................. 40

2.1 Điện thế điện cực ........................................................................... 40



1

2.2 Điện thế điện cực cân bằng và không cân bằng ................................ 41

3. Cơ chế ăn mòn điện hoá và khả năng xảy ra ăn mòn điện hoá ............ 42

3.1 Cơ chế ăn mòn điện hoá ................................................................ 42

3.2 Khả năng xảy ra quá trình ăn mòn điện hoá ..................................... 444. Hiện tƣợng phân cực và khử phân cực .............................................. 45

4.1 Hiện tƣợng phân cực ..................................................................... 45

4.2 Hiện tƣợng khử phân cực ............................................................... 46

5. Phân cực anot - phân cực catot ........................................................ 46

5.1 Phân cực anot ............................................................................... 46

5.2 Phân cực catot .............................................................................. 47

6. Ăn mòn khử phân cực hyđro và khử phân cực oxy: ............................ 47

6.1 Ăn mòn khử phân cực Hyđro: ......................................................... 47

6.2 Ăn mòn khử phân cực oxy: ............................................................. 48

7. Xem xét quá trình ăn mòn bằng biểu đồ ăn mòn ................................. 50

7.1 Xác định tốc độ ăn mòn điện hóa theo biểu đồ ăn mòn ...................... 50

7.2 Phân tích quá trình ăn mòn theo biểu đồ ăn mòn .............................. 51

8. Hiện tƣợng thụ động - khử thụ động .................................................. 53

8.1 Hiện tƣợng thụ động kim loại .......................................................... 53

8.2 Hiện tƣợng khử thụ động - Sự hoạt hóa ........................................... 54

9. Các thuyết về trạng thái thụ động của kim loại .................................... 55

9.1 Thuyết màng ................................................................................. 55

9.2 Thuyết hấp phụ .............................................................................. 55

10. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tốc độ ăn mòn điện hóa ............................ 56

10.1 Các yếu tố bên trong .................................................................... 56

10.2 Các yếu tố bên ngoài .................................................................... 58

11. Ăn mòn kim loại trong các môi trƣờng khác nhau .............................. 60

11.1 Ăn mòn kim loại trong khí quyển .................................................... 60

11.2. Ăn mòn kim loại trong đất: ............................................................ 67

11.3. Ăn mòn kim loại trong nƣớc thiên nhiên. ....................................... 69

12. Ăn mòn của một số kim loại và hợp kim

trong các môi trƣờng khác nhau ...................................................... 71

12.1 Kim loại đen và hợp kim ................................................................ 71

12.2 Kim loại màu và hợp kim ............................................................... 75



2

13. Thực hành xác định tốc độ ăn mòn của kim loại. ............................... 77

13.1 Xác định tốc độ ăn mòn của kim loại theo phƣơng pháp

trọng lƣợng và thể tích. ................................................................. 77

13.2 Xác định tốc độ ăn mòn kim loại theo phƣơng pháp điện hoá. .......... 79

14. Câu hỏi và bài tập .......................................................................... 82

Bài 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP BẢO VỆ ĂN MÒN ................................... 84

1. Lớp phủ bảo vệ ............................................................................... 84

1.1 Lớp phủ kim loại ............................................................................ 84

1.2 Bao phủ bằng các hợp chất hoá học ................................................ 91

2. Phƣơng pháp bảo vệ điện hoá .......................................................... 95

2.1 Bảo vệ bằng Protectơ ..................................................................... 96

2.2 Bảo vệ catot bằng dòng điện bên ngoài ........................................... 96

3. Sử dụng chất làm chậm ăn mòn ........................................................ 97

3.1 Chất làm chậm ăn mòn trong axit .................................................... 98

3.2 Các chất làm chậm ăn mòn trong nƣớc và trong dung dịch muối ....... 99

3.3 Các chất làm chậm ăn mòn kim loại trong điều kiện khí quyển ......... 100

4. Thực hành chống ăn mòn kim loại. .................................................. 103

4.1 Bảo vệ kim loại bằng protectơ và chất làm chậm ăn mòn ................ 103

4.2 Bảo vệ kim loại bằng oxy hoá và photphat hoá kim loại ................... 106

5. Câu hỏi và bài tập. ......................................................................... 112

CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG VÀ NÂNG CAO ........................................... 113

ĐÁP ÁN CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ................................................... 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 115



3

GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC

Vị trí, ý nghĩa, vai trò môn học

Ăn mòn kim loại là môn học trình bày vấn đề ăn mòn và phá hủy vật

liệu kim loại khi kim loại tiếp xúc với môi trƣờng bên ngoài. Quá trình ăn

mòn kim loại xảy ra khắp nơi, từ đời sống đến trong công nghiệp sản xuất.

Thiệt hại ăn mòn kim loại gây tổn thất đáng kể đối với nền kinh tế. Vì vậy

môn học này trình bày bản chất của quá trình ăn mòn kim loại và đƣa r a các

biện pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn hoặc hạn chế quá trình ăn mòn

sao cho hiệu quả nhất.

Mục tiêu của môn học

Học xong môn học, học viên có khả năng: Nắm đƣợc kiến thức về ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.

Biết đƣợc các nguyên nhân, cơ chế xảy ra và các yếu tố ảnh

hƣởng đến tốc độ ăn mòn, cũng nhƣ các phƣơng pháp bảo vệ

tƣơng ứng.

Hiểu và áp dụng đƣợc một số phƣơng pháp chống ăn mòn và

bảo vệ kim loại.

Mục tiêu thực hiện của môn học

Hiểu đƣợc bản chất của các quá trình ăn mòn hóa học và điện

hóa.

Nắm đƣợc bản chất các phƣơng pháp chống ăn mòn.

Thực hiện một số thí nghiệm điển hình đo độ ăn mòn hóa học và

điện hóa.

Thực hiện một số biện pháp chống ăn mòn nhƣ : bảo quản bằng

dầu mỡ, sơn, vecni, các lớp che phủ, v.v…

Thực hiện các thí nghiệm trong PTN ăn mòn. Nội dung chính của môn học

Bản chất của các quá trình ăn mòn hóa học.

Bản chất các quá trình ăn mòn điện hóa.

Nguyên nhân của sự ăn mòn.

Các phƣơng pháp bảo vệ bề mặt chống lại các qúa trình ăn mòn.

Bảo quản bằng dầu mỡ.

Sơn chống gỉ, sơn Vecni.

Tráng men, lớp che phủ kim loại.



4

Môn học gồm 4 bài

Bài 1: Mở đầu về ăn mòn kim loại.

Bài 2: Ăn mòn hóa học.

Bài 3: Ăn mòn điện hóa.

Bài 4: Các phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại.



5

Sơ đồ quan hệ theo trình tự học nghề

Kü thuËtATBHL§

Kü thuËtphßng

thÝ nghiÖm

Kyõ thuaätmoâi tröôøng

Hãav« c¬

Hãah÷u c¬

Hãaph©n tÝch

Hãalý

M«n c¬ b¶n

ChÝnhtrÞ

Ph¸pluËt

GDQP

GDTC

To¸n caocÊp

Ngo¹ing÷

Tin häc

Aûnh

höôûnggiaùntieáp

Aûnh

höôûnggiaùntieáp

Qu¸ tr×nhthiÕt bÞ

§éng häcxóc t¸c

AM &BV

kim lo¹i

M«n c¬ b¶n

Vaät lyù ñaïicöông

VÏ küthuËt

QT doanhnghiÖp

Kü thuËt®iÖn

Dông cô®o

Kü thuËt®iÖn tö

KiÕn thøcc¬ së

KiÕn thøcc¬ së ngµnh

C«ng nghÖchÕ biÕn khÝ

Tæng hîp h÷u c¬hãa dÇu

C«ng nghÖchÕ biÕn dÇu

S¶n phÈmdÇu má

ThÝ nghiÖmchuyªn ngµnh

Ph©n tÝchhãa dÇu

Tån chøa vµvËn chuyÓn

Thùc tËp tètnghiÖp

Thi tètnghiÖp

Kü thuËtPTN

Thùc tËpQT vµ TB

Ghi chú: Ăn mòn và bảo vệ kim loại là môn học cơ bản và bắt buộc. Mọi học viên phải học và đạt kết quả chấp nhận đƣợc

đối với các bài kiểm tra đánh giá và thi kết thúc nhƣ đã đặt ra trong chƣơng trình đào tạo.

Những học viên qua kiểm tra và thi mà không đạt phải thu xếp cho học lại những phần chƣa đạt ngay và phải đạt điểm chuẩn

mới đƣợc phép học tiếp các mô đun/ môn học tiếp theo. Học viên, khi chuyển trƣờng, chuyển ngành.nếu đã học ở một cơ sở

đào tạo khác rồi thì phải xuất trình giấy chứng nhận; Trong một số trƣờng hợp có thể vẫn phải qua sát hạch lại.



6

CÁC HÌNH THỨC HỌC TẬP CHÍNH TRONG MÔN HỌC

Học trên lớp về:

Các khái niệm, cơ chế về ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.

Các nguyên nhân và cơ chế xảy ra, các yếu tố ảnh hƣởng đến

tốc độ ăn mòn, các phƣơng pháp bảo vệ tƣơng ứng.

Tự nghiên cứu tài liệu liên quan đến từng bài học trong ăn mòn kim

loại.

Làm các bài tập ở nhà liên quan tới phần học.

Thực hành tại phòng thí nghiệm về ăn mòn kim loại và chống ăn

mòn kim loại.

YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔN HỌC Về kiến thức

Nắm đƣợc kiến thức về ăn mòn hoá học và điện hoá kim loại.

Giải thích đƣợc các cơ chế, nguyên nhân xảy ra ăn mòn của các

kim loại, cũng nhƣ ăn mòn phổ biến ở các môi trƣờng khác nhau và

các phƣơng pháp bảo vệ tƣơng ứng.

Thực hiện một số thí nghiệm về ăn mòn kim loại và các phƣơng

pháp chống ăn mòn. Về kỹ năng

Tính toán và pha dung dịch ăn mòn cần thiết trong bài làm thí

nghiệm.

Tính toán đƣợc tốc độ ăn mòn của các kim loại theo các đơn vị đo

khác nhau.

Thao tác thuần phục các dụng cụ đo, các thiết bị thí nghiệm cũng

nhƣ vận hành nó.

Tổ chức bảo quản và bảo dƣỡng các dụng cụ thiết bị thực hành thínghiệm, trang thiết bị và oan toàn cho phòng thí nghiệm.

Thực hiện thao tác thành thạo các thí nghiệm về ăn mòn và chống

ăn mòn kim loại.

Về thái độ

Nắm vững kiến thức về ăn mòn trƣớc khi thực hành các bài thí

nghiệm.

Nghiêm túc trong việc sử dụng và bảo dƣỡng các thiết bị đo, dụngcụ thí nghiệm.



7

Luôn chủ động kiểm tra và đảm bảo về an toàn phòng thí nghiệm.

Chủ động xem xét tình trạng dụng cụ và hóa chất trong thực hành

bài thí nghiệm.

Nhắc nhở đồng nghiệp đảm bảo về an toàn khi thực hành thí

nghiệm.



8

BÀI 1

MỞ ĐẦU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI Mã bài: AMKL1

Giới thiệu

Trong đời sống cũng nhƣ trong sản xuất công nghiệp, nơi nào có kim loại

thì nơi đó xảy ra quá trình ăn mòn kim loại. Khoảng 30% tổng lƣợng kim loại

cuả thế giới hàng năm bị ăn mòn, gây tổn thất lớn cho kinh tế. Vì vậy hiểu

đƣợc cấu trúc của kim loại và hợp kim, và các quá trình ăn mòn cũng nhƣ

phân loại quá trình ăn mòn, sẽ chuẩn đoán những tác hại ăn mòn và đƣa ra

những phƣơng pháp giảm tổn thất các kim loại trong quá trình ăn mòn kim

loại.

Mục tiêu thực hiện Học xong bài này học viên sẽ có khả năng :

Các khái niệm về ăn mòn và phân loại quá trình ăn mòn.

Mô tả đƣợc các dạng cấu trúc của kim loại và hợp kim thƣờng gặp.

Nội dung chính

1. Định nghĩa và phân loại

1.1. Định nghĩa

Ăn mòn kim loại là hiện tƣợng phá huỷ của vật liệu kim loại do tƣơng tác

hoá học hoặc tƣơng tác điện hoá giữa kim loại với môi trƣờng bên ngoài. Từ những định nghĩa trên, sự phá huỷ kim loại do các nguyên nhân vật lý

hoặc cơ học nhƣ sự rạn nứt kim loại do chịu tải trọng cao, sự xâm thực trong

các máy khuấy đƣờng ống , máy bơm hoặc sự mài mòn kim loại do ma sát cơ

học … không đƣợc gọi là sự ăn mòn.

Các kết cấu thiết bị lò đốt, khí lò đốt ống lửa trong các thiết bị nồi hơi, sau

một thời gian làm việc thì bị hen gỉ và hƣ hỏng. Các chi tiết thiết bị bằng kim

loại tiếp xúc các chất dung dịch điện ly nhƣ: dung dịch muối, dung dịch axit,

dung dịch kiềm, hoặc trong không khí ẩm thì sau một thời gian chúng bị hoà

tan, bị ăn mòn hay bị han gỉ. Những trƣờng hợp nhƣ vậy đƣợc gọi là sự phá

huỷ kim loại do ăn mòn

1.2. Phân loại

Có nhiều cách phân loại tùy theo cách quan sát hiện tƣợng, ngƣời ta

phân loại theo 3 cách thƣờng gặp nhất.

1.2.1. Phân loại theo cơ chế của quá trình ăn mòn

Chia làm 2 loại quá trình ăn mòn:



9

Ăn mòn hoá học: Là quá trình ăn mòn do tác dụng hoá học giữa kim

loại với môi trƣờng, nó tuân theo các định luật cơ bản về động học

của phản ứng dị thể, nghĩa là phản ứng biến đổi kim loại thành ion.

Thí dụ : Kim loại bị ăn mòn ở trong điều kiện khí khô mà dạng phổ

biến nhất là quá trình oxy hoá kim loại ở nhiệt độ cao, hoặc tác dụng

của các kim loại với các khí hoạt động khác ( SO2, H2S, các Halogen

…) ở nhiệt độ cao. Quá trình ăn mòn hoá học còn xảy ra ở các môi

trƣờng chất lỏng không điện ly chẳng hạn nhƣ: sự ăn mòn của các

thiết bị ống dẫn các dung môi hữu cơ, các nhiên liệu lỏng chứa các

hợp chất sulfua …

Ăn mòn điện hoá: Là quá trình ăn mòn do phản ứng điện hoá giữa

kim loại với môi trƣờng,quá trình xảy ra ở hai vùng khác nhau trênbề mặt kim loại, hay nói cách khác quá trình ăn mòn điện hoá là

phản ứng oxy hoá-khử dị thể xảy ra qua nhiều giai đoạn và ở nhiều

nơi khác nhau của bề mặt kim loại. Trong ăn mòn điện hoá có sự

tồn tại các điện tử chuyển động trong kim loại và các ion trong dung

dịch theo 1 lƣợng nhất định từ vùng điện cực này đến vùng điện cực

khác của kim loại . Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thế điện cực của

kim loại.

1.2.2. Phân loại theo điều kiện của quá trình ăn mòn Ngƣời ta phân ra các kiểu ăn mòn phổ biến nhất sau đây .

Ăn mòn khí quyển: Ăn mòn các kim loại trong khí quyển hay các khí

ẩm ƣớt khác .

Ăn mòn trong khí : Ăn mòn kim loại trong khí, chủ yếu ở nhiệt độ cao

do tác dụng của ăn mòn hoá học .

Ăn mòn trong chất điện giải: Chủ yếu ăn mòn xẩy ra ở các dung dịch

lỏng dẫn điện. Chẳng hạn nhƣ : Ăn mòn kim loại trong dung dịch axit, dung dịch kiềm, dung dịch muối .

Ăn mòn dƣới đất: Ăn mòn kim loại hoặc các công trình ngầm dƣới

đất .

Ăn mòn do dòng điện ngoài: Do tác dụng của điện một chiều bên

ngoài hay do các dòng rò.

Ăn mòn do vi sinh vật: Là ăn mòn gây ra do các vi sinh vật hoặc do

những chất tiết ra từ chúng .



10

1.2.3. Phân loại theo đặc tính phá huỷ

Ăn mòn toàn bộ: Ăn mòn xảy ra trên toàn bộ bề mặt kim loại .

Ăn mòn đều: Do sự ăn mòn xảy ra mà mức độ phá huỷ bề mặt

kim loại tƣơng đối đều đặn.

Ăn mòn không đều: mức độ phá huỷ trên bề mặt kim loại không

đều.

Ăn mòn lựa chọn: Do cấu tạo và thành phần cấu tử trong hợp

kim mà môi trƣờng ăn mòn chỉ phá huỷ 1 pha nào đó trong cấu

trúc hợp kim.

Ăn mòn cục bộ: Bề mặt kim loại bị phá huỷ từng vùng riêng biệt tùy

theo hình dạng và tính chất ngƣời ta chia thành các dạng sau:

Ăn mòn vết: Bề mặt kim loại bị phá huỷ tạo thành những vết dàitrên bề mặt kim loại.

Ăn mòn hố: xảy ra trên từng vùng riêng biệt tạo thành hố có

nhiều chỗ sâu chỗ nông.

Ăn mòn điểm: vết ăn mòn là những điểm nhỏ nhƣng vết ăn

mòn phát triển tạo chiều sâu.

Ăn mòn giữa các tinh thể: Xảy ra ăn mòn ở đƣờng tiếp giáp

giữa các tinh thể, dạng ăn mòn này rất nguy hiểm vì nó không

làm thay đổi bề mặt hình dạng bên ngoài, nhƣng giảm nhanh

độ bền và độ dẻo của kim loại làm cơ tính của kim loại giảm đi

và bị phá hỏng đột ngột.

2. Cấu tạo và liên kết của kim loại và hợp kim

Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình tƣơng tác giữa kim loại với môi

trƣờng. Cấu tạo nguyên tử và liên kết giữa chúng có ảnh hƣởng nhất định đến

quá trình đó.

2.1. Kim loại Ở điều kiện thƣờng kim loại ở trạng thái rắn, có ánh kim có tính dẫn điện

và dẫn nhiệt cao. Các ion nguyên tử trong kim loại sắp xếp theo một quy luật

nhất định tạo nên mạng lƣới không gian. Cấu tạo ion, nguyên tử đƣợc tạo

thành do một hoặc một số điện tử hoá trị của điện tử kim loại, dễ dàng chuyển

dời từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Các nguyên tử bị mất điện tử hoá

trị trở thành cation, kết quả là trong kim loại tồn tại cả nguyên tử và ion (gọi là

các ion nguyên tử) và các điện tử tự do.



11

Các ion nguyên tử trong kim loại không chuyển động hỗn độn mà chỉ dao

động xung quanh vị trí cân bằng và chúng đƣợc sắp xếp theo một thứ tự nhất

định. Tập hợp các nguyên tử đó ta có ô mạng không gian gọi là mạng lƣới tinh

thể. Phần nhỏ đặc trƣng cho mạng lƣới tinh thể gọi là ô mạng cơ sở. Các ô

mạng cơ sở thƣờng gặp của kim loại:

2.1.1. Ô mạng lập phƣơng thể tâm (bbc)

Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và giửa các khối hình lập phƣơng, số

nguyên tử ở một ô cơ bản là n = 2, mật độ nguyên tử M của mạng tinh thể là

68%.

Các kim loại Fe , Cr, W, Mo có cấu tạo dạng lập phƣơng thể tâm.

2.1.2. Ô mạng lập phƣơng diện tâm (fcc)

Ngoài các nguyên tử nằm ở đỉnh còn có các nguyên tử nằm ở mặt bêncủa hình lập phƣơng, số nguyên tử nằm trong 1 ô là n = 4, mật độ nguyên tử

M của mạng tinh thể là 74%.

Các kim loại Fe , Cu, Ni, Al, Pb, Ir, Pt, Sr …đều có loại mạng này.

2.1.3. Ô mạng lục giác xếp chặt (hcp)

Các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lục giác và 3 nguyên tử nằm ở

trung tâm 3 khối lăng trụ,số nguyên tử trong ô cơ bản là n = 6, mật độ nguyên

tử của mạng tinh thể là 74%.

Các kim loại Zn, Co, Cd, Mg, Ti… có loại ô mạng này. 2.2. Hợp kim

2.2.1. Định nghĩa

Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại,

nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.

2.2.2. Các đặc tính của hợp kim

Hợp kim có độ bền và độ cứng cao, chịu tải lớn hơn, ít bị mài mòn,

có thời gian sử dụng dài hơn, đặc biệt một số hợp kim chống ăn

mòn cao so với các kim loại nguyên chất.

Hợp kim có tính đúc tốt, tính gia công chế tạo cao, có khả năng hoá

bền bằng nhiệt luyện.

2.2.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim

Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào cấu tạo bên trong của nó, tức là

cấu tạo mạng tinh thể. Cấu tạo mạng tinh thể của hợp kim phức tạp hơn so

với kim loại nguyên chất và phụ thuộc vào tƣơng tác giữa các nguyên tử của

những nguyên tố trong nó.



12

Ở trạng thái lỏng các cấu tử đều hoà tan lẩn nhau (trừ một số trƣờng hợp

hoà tan ít hay không hoà tan) để tạo nên dung dịch lỏng. Ở trạng thái rắn tác

dụng lẫn nhau giữa các nguyên tố khá phức tạp, tạo nên các cấu trúc tinh thể

khác với cấu trúc của từng nguyên tố tạo nên chúng. Các cấu trúc tinh thể ở

trạng thái rắn của hợp kim có thể là :

Dung dịch rắn

Hợp chất hoá học hoặc các pha trung gian

Các tinh thể của các cấu tử nguyên chất

2.3.3.1. Dung dịch rắn

Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó các

nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẩn giữ đƣợc nguyên kiểu (loại) mạng khi

nguyên tố thứ hai B đƣợc phân bố vào mạng của A. Nguyên tố giữ đƣợc kiểumạng là nguyên tố dung môi, nguyên tố còn lại là nguyên tố hoà tan (không

giữ lại đƣợc kiểu mạng).

Tùy theo cách phân bố nguyên tử hoà tan trong mạng tinh thể của

nguyên tố dung môi, ngƣời ta phân ra hai loại: dung dịch rắn thay thế và dung

dịch rắn xen kẽ.

Dung dịch rắn thay thế: Trong đó các nguyên tử của nguyên tố hoà

tan thay thế vào vị trí nguyên tử của nguyên tố dung môi. Điều kiện

để hai nguyên tố tạo nên dung dịch rắn thay thế với nhau là các tínhchất và đƣờng kính nguyên tử của chúng không khác nhau nhiều.

Theo độ hoà tan lại chia ra dung dịch rắn hoà tan có hạn và dung

dịch rắn hoà tan vô hạn. Theo sự sắp xếp của các nguyên tử hoà

tan ở trong mạng tinh thể dung môi có quy luật hay không lại chia ra

dung dịch rắn có trật tự và không trật tự.

Nếu chất hoà tan B có thể hoà tan vào dung môi A với tỷ lệ bất

kỳ, tức nồng độ biến đổi liên tục thì tạo nên dung dịch rắn hoàtan vô hạn.

Nếu lƣợng hoà tan của B vào A không thể vƣợt quá giá trị nhất

định, tức là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó thì tạo nên

dung dịch rắn hoà tan có hạn.

Sự tạo thành dung dịch rắn hoà tan có hạn và vô hạn phụ thuộc

vào các yếu tố sau đây: kiểu mạng, đƣờng kính nguyên tử, lý

hoá tính và nồng độ điện tử.



13

Dung dịch rắn có trật tự: trong dung dịch rắn thay thế, các

nguyên tử hoà tan thay thế các nguyên tử dung môi ở các nút

mạng bất kỳ, song trong một số dung dịch rắn thay thế ở một

số điều kiện nhất định (về nhiệt độ, nồng độ, tốc độ làm

nguội...) các nguyên tử hoà tan chỉ chiếm các nút nào đó theo

một quy tắc nhất định gọi là dung dịch rắn có trật tự.

Dung dịch rắn xen kẽ: Các nguyên tử của nguyên tố hòa tan nằm ở

các lổ hổng trong mạng tinh thể của nguyên tố dung môi thì tạo nên

dung dịch rắn xen kẽ. Sự hoà tan xen kẽ chỉ xảy ra khi:

59,0

Ad

Bd

Do số lổ hổng của mạng tinh thể dung môi chỉ chiếm một tỷ lệ nhất định

so với số nguyên tử dung môi, nên dù các nguyên tử hoà tan chiếm cứ tất cả

các lổ hổng đó cũng không thể tạo nên dung dịch rắn hoà tan vô hạn đƣợc.

Các dung dịch rắn xen kẽ bao giờ cũng là loại hoà tan có hạn, thông thƣờng

độ hoà tan thấp.

Các đặc tính của dung dịch rắn: dung dịch rắn là pha thƣờng gặp nhất ở

trong các hợp kim sử dụng trong công nghiệp, nó có đặc tính sau:

Có liên kết kim loại nhƣ kim loại nguyên chất, do đó dung dịch rắnvẫn có tính dẻo tốt (không bằng kim loại nguyên chất).

Thành phần hoá học thay đổi trong một phạm vi nhất định mà không

làm thay đổi kiểu mạng.

Mạng tinh thể dung dịch rắn luôn luôn bị xô lệch, thông số mạng

khác với thông số mạng của dung môi.

Tính chất của dung dịch rắn sẽ bị biến đổi so với kim loại dung môi,

điện trở, độ bền, độ cứng của dung dịch rắn tăng lên, hệ số nhiệt độ

của điện trở, độ dẻo và độ dai giảm đi, khuynh hƣớng này tăng lên

khi nồng độ của chất tan càng lớn.

2.3.3.2. Hợp chất hóa học (pha trung gian)

Trong hợp kim ngoài dung dịch rắn ra, tất cả các pha phức tạp còn lại

đƣợc gọi là các pha trung gian. Các pha trung gian có các đặc tính sau đây:

Cấu tạo mạng tinh thể khác với kiểu mạng tinh thể của các nguyên

tố tạo thành nó.

Về tính chất thƣờng dòn, một số có độ cứng và nhiệt độ nóng chảyrất cao.



14

Có thể có thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp.

Các loại pha trung gian thƣờng gặp trong các vật liệu kim loại phổ biến :

hợp chất hoá học hoá trị thƣờng, pha xen kẽ, pha Lavet, hợp chất điện tử, cấu

trúc khuyết...

2.3.3.3. Hỗn hợp cơ học

Các hợp kim có thể có một trong hai dạng tổ chức sau:

Hợp kim có tổ chức một pha : dung dịch rắn hoặc pha trung gian

Hợp kim có tổ chức gồm 2 hay nhiều pha

Ở trƣờng hợp một, tính chất của hợp kim là tính chất của pha tồn tại. Ở

trƣờng hợp hai, tính chất hợp kim là tổng hợp các tính chất của các pha cấu

tạo nên nó. Có thể gặp ở các dạng sau:

Hợp kim là hỗn hợp của hai kim loại nguyên chất hay của 2 dungdịch rắn.

Hợp kim là hỗn hợp của 2 pha trung gian, dạng này chỉ có khi dùng

lƣợng nguyên tố hợp kim cao.

Hợp kim là hỗn hợp của dung dịch rắn và pha trung gian. Dạng này

thƣờng gặp nhất, tuỳ theo tỷ lệ về số lƣợng, hình dạng, kích thƣớc

và sự phân bố hai pha đó mà chúng có sự kết hợp giữa độ dẻo, độ

dai (của dung dịch rắn) và độ cứng(của pha trung gian) làm hợp kim

trở nên cứng, bền với độ dẻo, độ dai nào đó ở các mức độ khác

nhau.

3. Câu hỏi và bài tập

3.1 Hãy nêu sự khác nhau giữa ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.

3.2 Kim loại thƣờng có cấu tạo dạng ô mạng nào, cho thí dụ.

3.3 Hợp kim là gì. Hợp kim có các đặc tính gì?

3.4 Đồng có cấu trúc lập phƣơng diện tâm (fcc). Biết MCu = 63,546; bán kính

nguyên tử của đồng r Cu = 1,28 A

0

; quan hệ giữa hằng số ô mạng a và bánkính r là:

4r a

2; số Avogadro: 6,023.1023. Tính khối lƣợng riêng cho Cu

(g/cm3).

3.5 Kali có cấu trúc lập phƣơng thể tâm (bcc). Biết MK = 39,0983; bán kính

nguyên tử của kali r K = 2,36 A0; quan hệ giữa hằng số ô mạng a và bán kính r

là:4r

a3

; số Avogadro: 6,023.1023. Tính khối lƣợng riêng cho Kali (g/cm3).



15

BÀI 2

ĂN MÒN HOÁ HỌC Mã bài: AMKL2

Giới thiệu

Ăn mòn hoá học là sự phá hủy kim loại bởi một phản ứng hoá học dị thể,

nhƣng thực chất chủ yếu chính là quá trình oxy hoá kim loại ở nhiệt độ cao. Vì

vậy trong bài này ta cần tìm hiểu kỹ cơ chế, động học và các yếu tố ảnh

hƣởng đến tốc độ của quá trình ăn mòn kim loại ở nhiệt độ cao. Đề ra các

phƣơng pháp nâng cao độ bền ăn mòn và bảo vệ khỏi quá trình oxy hoá của

kim loại ở nhiệt độ cao một cách có hiệu quả.

Mục tiêu thực hiện

Học xong bài này học viên có khả năng: Nắm đƣợc bản chất các quá trình ăn mòn hóa học trong các môi

trƣờng khác nhau.

Mô tả khả năng oxy hoá kim loại và độ bền của màng oxyt.

Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình ăn mòn hoá học và

các phƣơng pháp nâng cao độ bền ăn mòn.

Nội dung chính

1. Các khái niệm cơ bản

Ăn mòn hoá học là quá trình phá huỷ kim loại do tác dụng hoá học giữa

kim loại và môi trƣờng tuân theo các quy luật nhiệt động và động học của

phản ứng hoá học.

Ăn mòn hoá học chỉ xảy ra trong môi trƣờng các chất lỏng không điện ly

và môi trƣờng khí.

Đặc điểm của ăn mòn hoá học là trong quá trình ăn mòn không phát sinh

ra dòng điện và sản phẩm ăn mòn nằm trên bề mặt ở chỗ kim loại tiếp xúc với

môi trƣờng. Ăn mòn hoá học chia làm hai loại:

Ăn mòn trong chất lỏng không điện ly

Ăn mòn trong môi trƣờng khí khô.

Ăn mòn kim loại trong môi trƣờng các chất lỏng không điện ly:

Đa số các dung môi hữu cơ thực tế không phân ly thành các ion tự do,

do đó các nguyên tố vi pin không có khả năng hoạt động và không có khả

năng xảy ra ăn mòn điện hoá. Các Brom lỏng, lƣu huỳnh nóng chảy, các dung



16

môi hữu cơ (Bezen, Xylen, Clorofom…) và các nhiên liệu lỏng (xăng,dầu…) là

các chất không điện ly.

Ăn mòn trong môi trƣờng khí là dạng ăn mòn do tƣơng tác của các khí

với kim loại ở nhiệt độ cao. Đó là phản ứng giữa các khí xâm thực ở nhiệt độ

cao (oxi, nitơ, clo…) với kim loại dẫn đến hình thành các sản phẩm ăn mòn đó

là các hợp chất oxyt kim loại.

2. Ăn mòn kim loại trong môi trƣờng khí

2.1. Định nghĩa

Là quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hoá học của các chất khí với

kim loại.

Quá trình ăn mòn khí khô ở nhiệt độ thƣờng rất ít gặp, quá trình ăn mòn

khí khô phổ biến nhất là sự oxi hoá kim loại trong môi trƣờng khí khô ở nhiệtđộ cao.

Thí dụ: sự oxi hoá của các chi tiết thiết bị bằng kim loại trong lò nung, các

chi tiết của động cơ đốt trong, thùng sấy, tháp tổng hợp amoniac hoặc các chi

tiết kim loại khi gia công nóng (cán, dát…).

Hình 2.1: Ăn mòn thép trong môi trƣờng khí ở nhiệt độ cao. Phản ứng oxi hoá của kim loại:

mMe(r) +m.n

4O2(k) = m.nm (r )

2

Me O

Trong đó :

Me : kim loại.

n : hoá trị của kim loại.

m : hệ số của phƣơng trình cân bằng.Thí dụ:



17

4Al + 3O2 = 2Al2O3

Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc nhiều vào các yếu tố : tính chất, cấu trúc

của kim loại và hợp kim, tính chất của môi trƣờng, nhiệt độ, tính chất của sản

phẩm ăn mòn.

Để đánh giá độ bền ăn mòn của kim loại trong môi trƣờng khí ở nhiệt độ

cao ngƣời ta dựa vào hai chỉ tiêu là độ chịu nhiệt và bền nhiệt.

Độ chịu nhiệt là khả năng của kim loại bền ăn mòn trong môi trƣờng

khí ở nhiệt độ cao.

Độ bền nhiệt là khả năng của kim loại bền cơ học ở nhiệt độ cao.

2.2. Khả năng oxi hoá kim loại và độ bền của màng oxit

2.2.1. Khả năng oxi hoá kim loại

Một kim loại bất kỳ khi tiếp xúc với các chất khí thì nó sẽ hấp phụ một lớpphân tử khí trên bề mặt. Chúng có thể tác dụng với kim loaị tạo thành lớp

màng oxit sản phẩm ăn mòn nằm trên bề mặt kim loại.

Dạng phổ biến là kim loại tiếp xúc với không khí khô (có oxi) thì nó sẽ

hấp phụ một lớp phân tử oxi trên bề mặt. Lớp màng có thể tác dụng kim loại

để tạo thành lớp màng oxit trên bề mặt kim loại. Muốn biết quá trình đó có xảy

ra hay không ta phải xét sự biến thiên thế đẳng nhiệt đẳng áp G của phản

ứng oxi hoá kim loại sau :

mMe(r) +m.n

4O2(k) = m.nm (r )

2

Me O (2.1)

Khi P; T= const

2

0

T m.n

4O

1G G RT ln

(P )

2

P m.n

4O

1RT lnK RT ln

(P )

2 2

m.n m.n

4 4O cb O

1 1RT ln RT ln

(P ) (P )

2

2

m.n

4O cb

m.n

4O

(P )RTln

(P )

(2.2)

Trong đó:



18

R : hằng số khí

T : nhiệt độ tuyệt đối

2OP : áp suất riêng phần của oxi ứng với trạng thái ban đầu

2O cb(P ) : áp suất riêng phần của oxy ứng với trạng thái cân bằng m : hệ số của phƣơng trình cân bằng

n : hoá trị của kim loại.

KP : hằng số cân bằng hoá học

Từ (2.2) ta nhận xét nhƣ sau :

Quá trình oxy hoá xảy ra khiT

G < 0, hay áp suất riêng phần của

oxy trên bề mặt kim loại2 2O O cbP (P ) thì kim loại sẽ tiếp tục oxy hoá.

Quá trình oxy hoá không xảy ra khi TG > 0; điều này cho ta thấy áp

suất riêng phần của oxy ở trạng thái cân bằng trên bề mặt kim loại

lớn hơn2OP thì quá trình oxi hoá sẽ không xảy ra.

Áp suất riêng phần của oxi trong không khí

2OP = 0,21at

Nhƣ vậy ở một nhiệt độ cho trƣớc, với một kim loại nào đó, nếu áp suất

oxi cân bằng2O cb

(P ) của phản ứng oxi hoá kim loại đó nhỏ hơn 0,21at thì kim

loại đó sẽ bị oxi hoá trong không khí ở nhiệt độ đó.

Thí dụ: Xét khả năng oxi hoá của Ag ở 300 K (26,8 0C) và ở 400 K (126,80C) trong không khí. Bạc bị oxi hoá trong không khí tạo phản ứng sau:

4Ag + O2 2Ag2O

Tra bảng 1

2O cb(P )

ở 300 K : 8,4.10-5at

2O cb

(P )ở 400 K : 0,69 at

Ta thấy 300 K : 2O cb(P )= 8,4.10-5 at < 0,21 at = 2OP

Điều này cho thấy ở 300 K Ag bị oxi hoá tạo thành bạc oxyt Ag2O

Ở 400 K : 2O cb(P )

= 0,69 at > 2OP= 0,21at , điều này chứng tỏ ở 400 K bạc

lại bền trong không khí, không bị oxi hoá.



19

Bảng 1: Áp suất phân huỷ của các oxyt kim loại ở các nhiệt độ khác nhau

2.2.2. Độ bền của màng oxyt

Giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn khí là giai đoạn hấp phụ khí trên bề

mặt kim loại

Me(r) + O2(k) = Me(r) Ohp

Sau đó là giai đoạn tác dụng hoá học

mMe(r) +m.n

2O(hp) = mMe+n +

m.n

2O2- = m.nm (r )

2Me O

Đa số các sản phẩm ăn mòn kim loại do bị oxi hoá đều ở dạng màng

mỏng bám trên bề mặt kim loại. Chiều dày của lớp màng oxyt phụ thuộc vào

bản chất của kim loại, tính chất của môi trƣờng khí, nhiệt độ và các yếu tố

khác. Màng có 2 dạng: loại xốp và loại sít chặt.

Màng sít chặt ở một chừng mực nào đó có tính chất bảo vệ nghĩa là nó

có khả năng ngăn cản sự xâm nhập của tác chất ăn mòn và bề mặt kim loại.

Muốn lớp màng có tính chất bảo vệ tốt, màng phải đạt các yêu cầu sau:

Nhiệt

độ

K

2Ag2O

4Ag + O2

2Cu2O

4Cu+ O2

2PbO

2Pb+O2

2NiO

2Ni+O2

2ZnO

2Zn+O2

2FeO

2Fe+O2

300

400

500

600

8001000

1200

1400

1600

1800

2000

8,4.10-5

6,9. 10-1

24,9. 10

360

0,56.10-30

8,0.10-24

3,7.10-16 1,5.10-11

2.10-8

3,6.10-6

1,8.10-4

3,8.10-3

4,4.10-1

3,1.10-38

9,4.10-31

2,3.10-21 1,1.10-15

7,0.10-12

3,8.10-9

4,4.10-7

1,8.10-5

3,8.10-4

1,48.10-46

1,30.10-37

1,70.10-26 8,4.10-20

2,6.10-15

1,4.10-12

1,2.10-9

9,6.10-8

9,3.10-6

1,3.10-68

4,6.10-56

2,4.10-40 7,1.10-31

1,5.10-24

5,2.10-20

1,4.10-16

6,8.10-14

9,5.10-12

5,1.10-42

9,1.10-30 2,0.10-22

1,6.10-19

5,9.10-14

2,8.10-11

3,3.10-9

1,6.10-7



20

Màng sít chặt không có lỗ xốp, bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại

Màng không bị phá huỷ trong môi trƣờng ăn mòn

Màng bám chặt trên bề mặt kim loại

Hệ số giãn nở nhiệt của màng phải xấp xỉ với hệ số giản nở nhiệt

của kim loại.

Nếu màng bao phủ trên bề mặt kim loại không có đủ những tính chất trên

thì trong quá trình tăng chiều dày màng, lớp màng sẽ bị phá huỷ và kh ông có

tính chất bảo vệ. Nhƣ vậy không phải hầu hết các kim loại đều có khả năng

tạo thành màng sít, mà chỉ có một số kim loại nào đó mới có khả năng bảo vệ.

Điều kiện để lớp màng bao phủ kín toàn bộ bề mặt kim loại: thể tích oxyt

kim loại đƣợc tạo thành do 1 nguyên tử gam kim loại bị oxi hoá phảI lớn hơn

thể tích nguyên tử gam của kim loại đó.

Nếu ox

Me

V

V> 1: màng có khả năng bảo vệ

Nếu ox

Me

V

V< 1: màng không có khả năng bảo vệ

Thể tích nguyên tử gam của kim loại

Me

AV

d

Trong đó:

- A: nguyên tử gam của kim loại (g).

- d: khối lƣợng riêng của kim loại (g/cm3).

Thể tích oxyt kim loại do 1 nguyên tử gam kim loại bị oxy hoá là:

ox

MV

n.D (2.3)

Trong đó:

- D : trọng lƣợng riêng của oxyt kim loại (g/cm3).- M : phân tử gam của oxyt kim loại (g).

- n : số nguyên tử kim loại trong phân tử oxyt.

ox

Me

V M.d

V n.D.A (2.4)

Thí dụ: Xác định tính chất bảo vệ của màng oxyt canxi và màng oxyt

nhôm, Cho biết:

- dCa = 1,54 (g/cm3

).- d Al = 2,7 (g/cm3).



21

- CaO

D = 1,54 (g/cm3).

- 2 3 Al OD = 4,0 (g/cm3).

Tính tỷ số ox

Me

V M.d

V n.D.A

Đối với nhôm: ox

Me

V M.d 102.2,71,27 1

V n.D.A 2.4,0.27

Vậy màng oxyt nhôm có khả năng bảo vệ.

ĐốI với canxi: ox

Me

V M.d 56.1,540, 65 1

V n.D.A 1.3,45.40

Vậy màng oxyt canxi không có khả năng bảo vệ.

Bảng 2: Tỷ số thể tích oxyt/kim loại của 1 số kim loại Kim loại oxyt

ox

Me

V

V

Kim loại oxytox

Me

V

V

K

Na

Ca

Ba

Mg

Cd

Ge

Al

Pb

Sn

Th

K2O

Na2O

CaO

BaO

MgO

CdO

GeO2

Al2O3

PbO

SnO2

ThO2

0,45

0,55

0,64

0,67

0,81

1,21

1,23

1,28

1,31

1,32

1,35

Ti

Zr

Zn

Ni

Be

Cu

U

Cr

Fe

Si

W

TiO2

ZrO2

ZnO

NiO

BeO

Cu2O

UO2

Cr 2O3

FeO

SiO2

WO3

1,48

1,56

1,55

1,65

1,68

1,64

1,94

2,07

2,14

1,88

3,35

Các kim loại kiềm và kiềm thổ có ox

Me

V

V< 1 nên lớp màng oxyt của nó

không có tính chất bảo vệ. Một số kim loại chuyển tiếp thì lớp màng oxyt của

nó có tính bảo vệ. Một số trƣờng hợp đặc biệt có ox

Me

V

V>>1 nhƣng màng oxyt

có tính chất bảo vệ kém vì ox

Me

V

V>> sẽ dể sinh ra ứng suất nội phá huỷ màng.



22

Thí dụ: Màng vônfram oxyt WO3 có ox

Me

V3,35

V: tính bảo vệ của màng

rất kém.

2.3. Các quy luật phát triển màng và các thuyết phát triển màng

2.3.1. Các quy luật phát triển màng

Là quy luật biểu hiện mối quan hệ phụ thuộc giữa chiều dày màng và thời

gian tác dụng của môi trƣờng. Quy luật phát triển màng theo những quan hệ

phức tạp nhƣng phù hợp với quy luật khuếch tán động học của phản ứng hoá

học.

2.3.1.1. Quy luật phát triển màng xốp (Quy luật phát triển màng theo

đƣờng bậc 1)

Quá trình phát triển màng xốp bao gồm các giai đoạn sau:Chuyển chất oxi hoá (oxi) đến bề mặt phân chia kim loại - khí

Hấp phụ chất oxi hoá trên bề mặt kim loại

Me(r) + O2(k) = Me(r) 2O(hp)

Phản ứng tạo thành oxyt

mMe(r) +m.n

2O(hp) = mMe+n +

m.n

2O2- = m.nm (r )

2

Me O

Hình 2.2: Sự khuyếch tán oxy qua màng xốp

Các màng oxyt kim loại có cấu tạo xốp, nên oxi có thể đi qua màng một

cách dễ dàng, chúng hấp phụ trên bề mặt kim loại và tham gia phản ứng tạo

màng oxyt tiếp tục với chiều dày tăng dần. Giai đoạn phản ứng là giai đoạn



23

chậm nhất của quá trình, quan hệ giữa chiều dày màng và thời gian môi

trƣờng tác dụng theo phƣơng trình bậc nhất sau:

1 1h K C (2.5)

Trong đó:

h: chiều dày màng.

: thời gian tác dụng của môi trƣờng.

C1 = h khi = 0

Vậy C1 là chiều dày lớp màng oxyt kim loại trƣớc khi thí nghiệm. Trong

thực tế trị số C1 rất nhỏ hoặc bằng 0, do đó phƣơng trình trên có dạng:

1h K (2.6)

2.3.1.2. Quy luật phát triển màng sít chặt (quy luật phát triển màng theo

đƣờng parabol) Là quy luật phát triển màng mà quan hệ phụ thuộc giữa chiều dày màng

và thời gian tác dụng của môi trƣờng theo phƣơng trình:2

2 2h K C (2.7)

Thƣờng C2 = 0 vì khi = 0 thì h = 0 vậy phƣơng trình có dạng : 2

2h K (2.8)

Hình 2.3: Sơ đồ tạo thành màng oxyt sít trên kim loại

Từ phƣơng trình (2.8) này ta nhận xét nhƣ sau: đối với các màng sít chặt

có khả năng bảo vệ thì khi thời gian càng dài thì chiều dày màng càng tăng

chậm, nghĩa là tốc độ ăn mòn giảm dần theo thời gian. Điều này đƣợc giải

thích là do sự khuếch tán của khí và ion kim loại qua màng ngày càng khó



24

khăn hơn, và hai luồng khuếch tán này khó phản ứng tạo thành oxyt. Sự phát

triển của màng oxyt có cấu tạo sít chặt gồm những giai đoạn sau:

Kim loại phân ly thành ion kim loại và điện tử

Me Me+n + ne

Ion kim loại và điện tử chuyển vào lớp oxyt m.nm

2

Me O

Oxi trong môi trƣờng khí quyển đến bề mặt tiếp xúc giữa màng oxyt

kim loạI và môi trƣờng khí

Hấp phụ oxi trên bề mặt màng oxyt

m.nm (r )2

Me O + O2(k) = m.nm (r )2

Me O + 2O(hp)

Các điện tử ở màng ion hoá oxi hấp phụ

Ohp + 2e O2-

Chuyển ion O2- qua lớp oxyt m.nm2

Me O

Phản ứng tạo thành oxyt

mMe+n +m.n

2O2- = m.nm (r )

2

Me O

2.3.1.3. Quy luật phát triển màng theo đƣờng logarit

Chiều dày phát triển màng tuân theo phƣơng trình sau: 3 3h K lg C (2.9)

Trong đó K3, C là hằng số, còn > 0

Điều này có thể đƣợc giảI thích nhƣ sau: Khi chiều dày màng tăng lên,

lớp oxyt ngoài cùng sít chặt hơn, gây nên ứng suất, ngăn cản sự khuếch tán

của các chất khí ăn mòn qua lớp màng làm cho lớp màng phát triển chậm hơn

theo quy luật parabol.

Ví dụ: Oxy hoá đồng trong oxy ở điều kiện 100 0C, tantan ở 150 0C,

nhôm, niken, kẽm ở 300 0C.

2.3.2. Cơ cấu vùng phát triển màng và sự khuếch tán qua màng

2.3.2.1. Cơ cấu vùng phát triển màng

Là vùng gặp nhau giữa hai luồng khuếch tán:

Luồng khuếch tán ion kim loạI Mn+ và e- qua màng kim loại ra phía

môi trƣờng: nMV

Luồng khuếch tán ion O2- từ phía môi trƣờng vào bề mặt kim loại:

2OV



25

Có thể chia thành 3 trƣờng hợp sau:

Nếu n 2M OV V , tốc độ khếch tán của cation kim loạI Me+n lớn hơn

nhiều so với tốc độ khếch tán anion oxy O2-, lúc đó sự khếch tán qua màng

chủ yếu là do ion kim loại và điện tử, nhƣ vậy vùng lớn lên của màng là vùnggần mặt ngoài của màng.

Nếu n 2M OV V , tốc độ khuếch tán của O2- lớn hơn nhiều tốc độ

khuếch tán M+n, lúc đó khuếch tán qua màng chủ yếu là do anion

oxi. Nhƣ vậy vùng lớn lên của màng là vùng bên trong màng chổ

tiếp giáp với kim loại.

Nếu n 2M OV V , tốc độ khuếch tán của O2- và M+n xấp xỉ nhau lúc

đó vùng lớn lên của màng là vùng giữa màng. Trong thực tế đƣờng kính của ion kim loại bé hơn đƣờng kính của anion

oxy O2-, cho nên sự khuếch tán qua màng chủ yếu là do ion kim loại và điện

tử.

Hình 2.4: Sơ đồ phát triển màng.

a) Do khuếch tán của cation kim loại và điện tử.

b) Do khuếch tán của anion môi trƣờng và điện tử.

c) Do khuếch tán của anion, cation và điện tử.

x: Lớp màng mỏng đầu tiên.



26

y: Vùng lớn lên của màng.

2.3.2.2. Cơ cấu khuếch tán trong màng bảo vệ

Đối với sự phát triển của màng oxyt thì sự khuếch tán của cation Me+n và

anion O2-

trong lớp oxyt kim loại m.nm2

Me O có thể thực hiện theo một trong hai

khả năng sau đây:

Ion khuếch tán qua khoảng trống giữa các nút của mạng lƣới tinh

thể oxyt.

Ion khuếch tán qua các nút khuyết của mạng lƣới tinh thể oxyt.

2.4. Ăn mòn khí đối với các kim loại và hợp kim

Khi làm việc ở nhiệt độ cao các kim loại và hợp kim kỹ thuật bị ăn mòn

khí rất mạnh. Trong đó thép và gang là những kim loại và hợp kim chiếm sảnlƣợng lớn, hàng năm tổn thất với khối lƣợng không nhỏ.

2.4.1. Ăn mòn hoá học của sắt và hợp kim của sắt

Sắt , thép, gang và các thép hợp kim, khi bị đốt nóng trong không khí hay

trong môi trƣờng sản phẩm cháy của nhiên liệu thì bị oxi hoá. Tốc độ oxi hoá

tăng nhanh khi nhiệt độ lớn hơn 600oC, sau khi oxi hoá trên bề mặt chúng tạo

1 lớp gọi là gỉ (đó là hợp chất của sắt và oxi, lớp màng có 3 dạng sau:

2.4.1.1. Sắt (II) oxyt FeO

Chỉ đƣợc tạo thành khi nhiệt độ trên 575 0C. Ở nhiệt độ thấp hơn, thực tế

nó không đƣợc tạo thành. Sau khi tạo thành ở nhiệt độ cao, nếu làm lạnh từ

từ thì FeO bị phân huỷ thành Fe3O4 và Fe theo phản ứng sau:

4FeO = Fe3O4 + Fe

Kết cấu tinh thể của sắt oxyt FeO có dạng khối lập phƣơng tâm diện. Ô

mạng cơ sở của nó gồm có 4 ion Fe2+ và 4 ion O2-. Trong mạng lƣới tinh thể

sắt oxyt FeO có những vị trị khuyết cation do ion Fe2+chuyển sang dạng Fe3+

cùng với một số điện tử tƣơng ứng. 2.4.1.2. Sắt oxyt Fe3O4

Thƣờng đƣợc tạo thành khi nhiệt độ trên 200 0C, Sắt Fe3O4 có từ tính,

cấu tạo tinh thể của nó có dạng khối phức tạp (giống cấu trúc Spinel). Ô mạng

cơ sở của nó có 8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-.

Vì cấu tạo dạng spinel rất sít chặt nên sự khuếch tán của ion sắt và anion

O2- qua màng Fe3O4 khó khăn. Các điện tử di chuyển qua màng khá dễ dàng

theo hƣớng ion hoá trị thấp sang ion hoá trị cao (do ion Fe2+, Fe3+ xấp xỉ xen

kẽ trong ô mạng). Do vậy màng Fe3O4 hầu nhƣ chỉ cho điện tử đi qua.



27

2.4.1.3. Sắt oxyt .Fe2O3

Cấu tạo ô mạng cơ sở là dạng khối mặt thoi gồm 4 ion Fe3+, 6 ion O2-. Sự

phát triển của màng .Fe2O3 là do sự khuếch tán của oxi qua vị trí khuyết

anion. Ở nhiệt độ trên 1100 0C thì .Fe2O3 bị phân huỷ một cách rõ rệt. Khi bị

oxi hoá ở nhiệt độ cao ( > 575 0C) thì trên bề mặt kim loại sắt có lớp gỉ đƣợc

tạo thành bao gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4. Chúng đƣợc phân chia thành lớp ngăn

cách bởi lớp dung rắn nằm sát các lớp oxyt đó.

2.4.2. Động học của ăn mòn sắt

Trong khoảng nhiệt độ bình thƣờng cho đến 200 0C, tốc độ ăn mòn

tuân theo quy luật logar it.

Ở nhiệt độ trên 200 0C, nó tuân theo quy luật parabol.

Ở nhiệt độ < 200 0

C, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào sự khuếch táncác ion oxi đi vào trong, dọc các điểm gián đoạn của oxyt tới màng.

Sự oxi hóa thực hiện ở bề mặt phân chia oxit - kim loại.

Trong khoảng 400 0C – 1250 0C, tốc độ phát triển 3 lớp oxyt tuân theo

phƣơng trình parabol.

i ih K t hayim K t

Trong đó

hi : chiều dày lớp màng oxyt.t : thời gian.

Ki : hằng số oxi hoá.

Từ đó cho thấy, trong khoảng 400 0C – 1250 0C, quá trình oxi hoá bề mặt

bị điều khiển bởi sự khuếch tán của các ion khác nhau. Năng lƣợng hoạt hoá

của các quá trình oxi hoá ở khoảng này 170 Kj/mol. Các hằng số tốc độ oxy

hoá là nhƣ nhau

Đối với FeO: Ki = 5,4.

40500

exp RT (cm

2

.giây

-1

)

Đối với Fe2O3: Ki = 6.10-4.40500

expRT

(cm2.giây-1)

Đối với Fe3O4: Ki = 0,9.10-2.40500

expRT

(cm2.giây-1)

Trong khoảng 930oC- 1270oC, sắt có thể khuếch tán qua lớp oxyt. Hệ số

tự xúc tác của sắt đƣợc biểu hiện bằng biểu thức:



28

D = 4.104.112000

expRT

(cm2/giây)

Năng lƣợng hoạt hoá của sự tự xúc tác trong FeO là E = 125Kj/mol và

trong Fe3O

4 là E= 230Kj/mol.

2.4.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn khí

Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣng đƣợc

chia thành 2 loại:

Yếu tố bên ngoài

Yếu tố bên trong

2.4.3.1. Ảnh hƣởng của yếu tố bên ngoài (yếu tố môi trƣờng)

Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình ăn mòn sắt thép, gồm: thành phần

của môi trƣờng khí, ảnh hƣởng của nhiệt độ, tốc độ chuyển động của khí, chếđộ nhiệt...

Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Khi tăng cao nhiệt độ thì tốc độ oxi hoá sắt

thép tăng lên rất nhanh. Sự thay đổi nhiệt độ của quá trình oxi hoá

dẫn đến thay đổi thành phần các oxi trong màng sản phẩm ăn mòn,

ở nhiệt độ cao, cấu tạo lớp gỉ giàu thành phần oxyt FeO, lớp oxyt

này cho dẫn điện tử và ion kim loại rất tốt. Vì vậy nó không ngăn cản

quá trình khuếch tán của điện tử và ion qua màng, mặt khác ở nhiệt

độ cao thì tốc độ oxi hoá tăng cũng dẫn đến sắt thép bị ăn mòn

mạnh.

Ảnh hƣởng thành phần của môi trƣờng khí : Thành phần của môi

trƣờng khí ảnh hƣởng rất lớn đến tốc độ oxy hoá sắt và thép, đặc

biệt là oxi, các hợp chất lƣu huỳnh và hơi nƣớc trong hổn hợp khí

ăn mòn. Khi tăng hàm lƣợng oxi trong môi trƣờng khí thì tốc độ oxi

hoá tăng nhƣng không theo quy luật tuyến tính.

Thí dụ: Tốc độ oxi hoá sắt ở 8000

C 10000

C, trong không khí và oxinguyên chất thì tốc độ oxi hoá sắt trong môi trƣờng oxi nguyên chất lớn hơn

gấp đôi so với trong môi trƣờng không khí. Nếu nhiệt độ cao hơn thì tỷ lệ này

còn giảm nhiều hơn nữa. Nguyên nhân là sự khuếch tán ion kim loại qua

màng là chủ yếu, do đó khi nhiệt độ tăng thì sự khuếch tán ion kim loại qua

màng lớn hơn nhiều so với sự khuếch tán ion oxy qua màng.

Ngoài ra các khí khác cũng có tính chất ăn mòn mạnh. Khi ở nhiệt độ cao

chẳng hạn nhƣ: hơi nƣớc, H2S, SO2, CO2…



29

Thí dụ: Nhôm và hợp kim nhôm, crôm và thép có hàm lƣợng crôm cao

không bị ăn mòn trong khí quyển nhƣng bị ăn mòn trong môi trƣờng có chứa

khí clo. Ni bị ăn mòn trong môi trƣờng có chứa khí SO2:

3Ni + SO2 = NiS + 2NiO

Phản ứng xảy ra mạnh ở 4600C và xảy ra hoàn toàn ở 8000C, phản ứng

tuân theo quy luật parabol.

Tăng hàm lƣợng CO trong hổn hợp khí thì làm giảm tốc độ ăn mòn thép

cacbon và thép hợp kim, khi hàm lƣợng CO từ 14 18% thì tốc độ ăn mòn có

thể bằng 0 và xuất hiện hiện tƣợng thấm cacbon trên bề mặt thép do phản

ứng sau:

2CO = CO2 + C

Bảng 3: Tốc độ ăn mòn tƣơng đối của thép 0.17%C ở nhiệt độ 900

0

C trongcác môi trƣờng khác nhau:

Thành phần khí Tốc độ ăn mòn tƣơng đối (%)

Không khí sạch

Không khí sạch +2%SO2

Không khí sạch + 5%SO2

Không khí + 5%SO2 + 5% H2O

100

118

134

276

Ảnh hƣởng của tốc độ chuyển động khí: Trong giai đoạn đầu của

quá trình oxi hoá, lớp màng oxyt có chiều dày rất nhỏ thì tốc độ

chuyển động của khí có ảnh hƣởng rõ rệt, kết quả tốc độ ăn mòn

tăng, nhƣng nếu tiếp tục tăng tốc độ khí thì tốc độ ăn mòn hầu nhƣ

không tăng.

Ảnh hƣởng của chế độ nhiệt: Là khả năng thăng giáng nhiệt độ đột

ngột (nung nóng - làm lạnh đột ngột) của môi trƣờng khí là nguyên

nhân làm ảnh hƣởng đến độ bền của màng oxyt đã đƣợc tạo thành.

Việc thăng giáng nhiệt độ đột ngột của môi trƣờng sẽ gây ứng suấtnhiệt phá huỷ màng bảo vệ, tạo những khe nứt cho môi trƣờng khí

xâm nhập vào mặt trong của kim loại làm tăng tốc độ ăn mòn.

2.4.3.2. Ảnh hƣởng các yếu tố bên trong

Ảnh hƣởng của thành phần thép:

Ảnh hƣởng của thành phần cacbon trong thép chƣa xác định một

cách cụ thể, nhƣng khi nâng cao hàm lƣợng cacbon trong thép thì

tốc độ oxi hoá giảm do thép làm việc ở nhiệt độ cao thì xảy ra hiện

tƣợng sau: Lƣợng cacbon trong thép ở nhiệt độ bị oxi hoá không



30

hoàn toàn tạo thành oxyt cacbon và ngăn cản quá trình ăn mòn khí,

lƣợng cacbon trong thép càng nhiều thì lƣợng khí oxyt cacbon tạo

thành cũng tăng lên. Lƣợng cacbon oxyt sẽ bảo hoà trong lớp gỉ và

hình thành các bọt khí trong màng oxyt do đó ngăn cản sự khuếch

tán của ion kim loạI qua màng.

Ảnh hƣởng của crôm, nhôm, silic: các cấu tử này ngăn cản sự oxi

hoá sắt, chúng có ái lực vớI oxi mạnh hơn so vớI sắt vì vậy nó phản

ứng tạo nên các màng oxyt có tính chất bảo vệ cao, cho nên những

cấu tử này cho thêm vào trong hợp kim để tạo ra hợp kim bền nhiệt.

Thành phần Ti, Cu, Co, Be, có trong thép sẽ làm chậm quá trình oxy

hoá do nó làm tăng tính chất bảo vệ màng.

Thành phần S, P, Ni, Mn, có trong thép trong 1 phạm vi nào đó thìkhông ảnh hƣởng.

Ảnh hƣởng của cấu trúc thép: Tốc độ oxy hoá phụ thuộc vào cấu trúc của

mạng lƣới tinh thể kim loại. Cấu trúc dạng Ferit kém bền hơn cấu trúc dạng

Austenit. Dạng Ferit có cấu tạo mạng tinh thể lập phƣơng thể tâm (bcc) có số

phối trí là 8, dạng Austenit có cấu tạo mạng tinh thể lập phƣơng diện tâm

(fcc), số phối trí 12. Do đó khi tăng nhiệt độ thì tốc độ oxy hoá xảy ra chậm

hơn ở dạng Austenit, vì ở nhiệt độ cao cấu trúc Austenit bền hơn so với ferit.

Ảnh hƣởng của trạng thái biến dạng: Khi kim loại ở trạng thái biến dạngchịu tác dụng oxy hoá của môi trƣờng ớ nhiệt độ thấp (thấp hơn nhiệt độ để

tái kết tinh) thì kim loại hay hợp kim bị biến dạng có khả năng oxy hoá cao

hơn. Điều đó nhƣ vậy là do kim loại bị biến dạng thì mạng lƣới tinh thể sẽ sai

lệch đi. Việc ảnh hƣởng này chỉ ở thời gian đầu của sự oxy hoá, về sau tốc độ

oxy hoá phụ thuộc chủ yếu sự khuếch tán của ion kim loại qua màng oxyt nên

sự biến dạng kim loại ảnh hƣởng không rõ.

Ảnh hƣởng của đặc tính gia công bề mặt: Bề mặt kim loại càng nhẵn

bóng thì tốc độ oxy hoá càng chậm. Khi bề mặt kim loại bị sần sùi thì trong

quá trình oxy hoá, những vị trí gãy góc rất nhỏ bé trên bề mặt trong quá trình

phát triển màng sẽ gây ứng suất cục bộ phá huỷ màng, do đó tăng tốc độ oxy

hoá.

2.4.4. Hiện tƣợng khử Cacbon của thép và gang

Khi đốt nóng bề mặt thép hoặc gang ở nhiệt độ cao trong một thời gian

dài với sự có mặt của khí O2, CO2, hơi nƣớc thì làm giảm hàm lƣợng Cacbon

trong thép và gang một cách rõ rệt. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng khửcacbon của thép và gang. Vì khi tiếp xúc với thép và gang, hỗn hợp khí sẽ



31

khuếch tán qua màng oxyt xâm nhập vào bề mặt kim loại, chúng tác dụng với

thép và gang theo phản ứng sau:

2Fe3C + O2 = 6Fe + 2CO

Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO

Fe3C + H2O = 3Fe + CO + H2

2C + O2 = 2CO

C + CO2 = 2CO

C + H2O = CO + H2

Lúc này cacbon nằm sâu trong kim loại sẽ khuếch tán ra đến khu vực

phản ứng, làm cho hàm lƣợng cacbon trong thép và gang nghèo dần cho đến

khi chỉ còn lại ferit.

Quá trình này làm giảm tính chất sử dụng, của thép, gang, giảm độ cứngbề mặt, giảm độ bền, mài mòn, giảm giới hạn đàn hồi…sự giảm hàm lƣợng

cacbon phụ thuộc nhiều yếu tố: thời gian tác dụng, nhiệt độ, thành phần khí…

2.4.5. Hiện tƣợng giòn hyđro của thép

Các thiết bị bằng thép gang khi làm việc ở nhiệt độ cao và áp suất cao

trong môi trƣờng có khí hyđro: Thiết bị sấy tổng hợp amoniac, các thiết bị

hyđro hoá trong sản xuất dầu mỏ… thì độ bền của thép giảm đáng kể, nhƣng

không thấy thay đổi bề mặt bên ngoài. hiện tƣợng này gọi là ăn mòn hyđrô

hay sự giòn hyđrô của thép. Nguyên nhân:

Do khí hyđro ở nhiệt độ và áp suất cao có khả năng hoà tan trong

thép tạo thành dung dịch rắn có độ bền nhỏ , độ giòn lớn

Do khí hyđrô ở nhiệt độ và áp suất cao thì hoà tan vào kim loại,

nhƣng ở điều kiện thích hợp chúng thoát ra ngoài dƣới dạng phân

tử khí H2. Quá trình thoát hyđrô qua mạng lƣới kim loại sẽ phá vỡ

mối liên kết trong tinh thể làm giảm độ bền của thép.

Ở nhiệt độ và áp suất cao, các nguyên tử khí hyđrô xâm nhập sâu

vào bề mặt kim loại, chúng tác dụng với xementit Fe3C làm giảm

hàm lƣợng cacbon trong thép.

Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4

Sự khử oxit theo giới hạn hạt tạo thành hơi nƣớc tạo ra cũng phá

huỷ liên kết trong kim loại

FeO + H2 = Fe + H2O



32

2.5. Ăn mòn hoá học của các khí đặc biệt đối với kim loại và hợp kim

khác

2.5.1. Ăn mòn của khí hyđrô đối với đồng

Ở nhiệt độ bình thƣờng, hyđro ăn mòn đồng rất nhỏ, khi ở nhiệt độ trên

4000C, hyđro gây ăn mòn mạnh. Đồng kim loại hoặc hợp kim đồng khi bị oxi

hoá thì tạo thành đồng oxit. Khi làm việc trong môi trƣờng khí hyđro thì đồng

oxit bị khử tạo phản ứng sau:

Cu2O + H2 = 2Cu + H2O

Hơi nƣớc tạo thành trong phản ứng, chúng thoát ra môi trƣờng bên ngoài

qua đƣờng biên giữa các hạt, phá huỷ mối liên kết trong kim loại, làm giảm độ

bền cơ, bền hoá của đồng. Lƣu ý: không nên dùng thiết bị bằng đồng hoặc

hơp kim bằng đồng trong môi trƣờng khử ở nhiệt độ cao. 2.5.2. Ăn mòn của khí hyđro sunfua

Khí hyđro sunfua ở điều kiện thƣờng tác dụng ăn mòn không đáng kể đối

với thép cacbon, nhƣng ở nhiệt độ cao và áp suất cao với sự có mặt của oxi

thì chúng ăn mòn mạnh thép, gang, cả kim loại đồng:

4Cu + O2 + 2H2S = 2Cu2S + 2H2O

Đối với các kim loại thép có hàm lƣợng crôm cao thì quá trình ăn mòn

của hyđrô sunfua giảm.

2.5.3. Ăn mòn của khí sunfurơ Khí sunfurơ thƣờng ăn mòn với các kim loại sau:

Kim loại đồng: Đồng tác dụng với khí sunfurơ theo phản ứng oxi hoá

- khử sau:

6Cu + SO2 = 2Cu2O + Cu2S

Kim loại niken: Tƣơng tự nhƣ đồng, sản phẩm tạo thành niken oxit

và niken sunfua:

3Ni + SO2 = NiS + 2NiO

Lƣu ý: các hợp kim niken không nên sử dụng trong môi trƣờng niken

sunfua vì chúng tạo thành hợp chất Ni2S2 – Ni có nhiệt độ nóng chảy thấp,

giảm độ bền nhiệt, bền cơ của kim loại.

2.5.4. Ăn mòn của khí Clo và khí Hyđro Clorua

Khí Clo: có tính oxi hoá mạnh, ở nhiệt độ bình thƣờng chúng có thể tác

dụng với kim loại. Ở nhiệt độ cao chúng phản ứng mạnh với kim loại, kim loại

có thể bị cháy khi tiếp xúc với clo, sản phẩm tạo thành là clorua kim loại, sản

phẩm ăn mòn này dể nóng chảy và không có khả năng bảo vệ.



33

2.6. Các phƣơng pháp bảo vệ ăn mòn khí

Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn khí ta sử dụng các phƣơng pháp sau:

Tạo hợp kim bền nhiệt chống oxi hoá.

Lớp phủ bảo vệ.

Dùng môi trƣờng khí bảo vệ.

Giảm sự oxi hoá kim loại.

2.6.1. Tạo hợp kim bền nhiệt chống oxi hoá

Hợp kim mới này phải thoả mãn chịu ăn mòn hoá học của môi trƣờng khí

ở nhiệt độ cao và độ bên cơ lý ở nhiệt độ ấy. Cấu tử hợp kim (kim loại phụ

gia) đƣa vào kim loại nền tạo nên hợp kim chịu nóng. Có 3 thuyết giải thích vai

trò của cấu tử hợp kim sau:

Ion cấu tử của hợp kim đƣa vào mạng lƣới oxit kim loại gốc (kim loạinền) làm thay đổi tốc độ khuếch tán của các ion kim loại gốc qua

màng.

Cấu tử hợp kim tạo thành trên bề mặt hợp kim lớp oxít bảo vệ ngăn

cản sự oxi hoá của kim loại gốc (kim loại nền).

Cấu tử của hợp kim cùng với kim loại gốc tạo thành màng oxit hỗn

hợp nâng cao tính chất bảo vệ của màng.

2.6.1.1. Theo thuyết thứ nhất

Khi thêm một lƣợng nhỏ nguyên tố hợp kim có khả năng oxi hoá sẽ tạo

thành ion có hoá trị xác định hoà tan trong oxít của kim loại nền, làm thay đổi

trị số khuyết tật của mạng lƣới tinh thể. Tốc độ oxi hoá giảm do khống chế sự

khuếch tán cation kim loại qua màng oxit. Điều này chỉ phù hợp khi cho vào

trong hợp kim những kim loại có hoá trị khác kim loại nền. Dựa vào thuyết này

để tạo hợp kim bền nhiệt chống oxi hoá thì cấu tử hợp kim phải có những tính

chất sau:

Ái lực của cấu tử hợp kim đối với oxi phải lớn hơn ái lực của kim loạigốc (kim loại nền).

* n.mn.m mm22

T T Me OMe O( G ) ( G )

Me*: cấu tử kim loại thêm vào

Oxit của cấu tử hợp kim *

m m.n

2

Me O phải hoà tan trong oxit kim loại

gốc m m.n

2

Me O



34

Khi tạo hợp kim cho kim loại gốc tạo thành oxit thừa kim loại thì hoá

trị của cấu tử hợp kim n* phải thoả điều kiện n* > n.

Trong đó n là hoá trị của ion kim loại gốc.

Khi tạo hợp kim cho kim loại gốc tạo thành oxit thiếu kim loại gốc thì

hoá trị của cấu tử hợp kim n* phải thoả điều kiện n* < n.

Chú ý: nếu tốc độ oxy hoá không do quá trình khuếch tán cation quyết

định mà phụ thuộc vào quá trình tạo pha mới trong màng oxyt thì lý thuyết trên

không giải thích đƣợc.

2.6.1.2. Theo thuyết thứ 2

Cấu tử hợp kim thêm vào tạo thành màng oxyt bảo vệ trên bề mặt kim

loại nền có tính bảo vệ cao, nó ngăn cản quá trình khuếch tán và oxy hoá kim

loại gốc ( kim loại nền). Theo lý thuyết này, cấu tử hợp kim thêm vào phải cónhững tính chất sau:

Màng oxyt của cấu tử hợp kim phải có cấu tạo sít đặc nghĩa là :

*m m.n

2

Me O

Me

V

1V

Cấu tử hợp kim phải có ái lực với oxy mạnh hơn kim loại gốc, thoả

điều kiện: * n.mn.m m

m 22

T T Me OMe O( G ) ( G )

Kích thƣớc của cấu tử hợp kim phải bé hơn kích thƣớc kim loại gốc :

r i* < r i

Cấu tử của hợp kim tạo thành oxyt có điện trở ohm cao làm khó

khăn cho sự dẫn ion và điện tử đi qua màng oxyt.

Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ thăng hoa của lớp oxyt cao và không

có điểm eutecti ở nhiệt độ thấp.

Tạo thành hợp kim ở dạng dung dịch rắn và đảm bảo tạo thànhmàng oxyt sít và bằng phẳng.

2.6.1.3. Theo thuyết thứ 3

Nếu cấu tử hợp kim cùng với kim loại gốc khi bị oxy hóa tạo thành o xyt

hai kim loại (hỗn tạp) có cấu tạo dạng Spinel: 4Me Me O , tính chất bảo vệ của

dạng oxyt này cao hơn so với của từng cấu tử.

Khi cho một lƣợng nhỏ các cấu tử vào hợp kim nhƣ: Cu, Co, Si, Al…. nó

sẽ nâng cao độ bền nhiệt, do đó tạo thành oxyt hỗn tạp, cấu trúc của nó có

dạng Spinel nhƣ: FeCr 2O4, FeAl2O4, NiCr 2O4... có thông số lƣới nhỏ tính bảo



35

vệ cao. Ba lý thuyết trên không những cho ta hiểu biết bản chất của hợp kim

bền nhiệt mà còn cho ta các biện pháp hợp lý để tạo ra các hợp kim bền nhiệt

mới.

2.6.1.4. Một số hợp kim bền nhiệt

Các kim loại thép cacbon và gang thông thƣờng làm việc dƣới 5500C.

Nhƣng khi thép có thêm 8 10% Cr thì có thể làm việc ở T0: 650 8500C. Để

cho thép Cr bền nhiệt cao thƣờng thêm silic và nhôm.

Thí dụ: hợp kim Sicromal (6% Cr, 2% Si, 1% Al) là hợp kim chịu nóng tốt.

Hợp kim chứa 3 10 % Cr, 4 % Si và thêm một lƣợng Mo, Al, W, Ti thì

hợp kim mới này rất bền trong môi trƣờng ở nhiệt độ cao. Trong kỹ thuật

thƣờng dùng các loại gang có chứa Cr – Si cao.

Gang Crôm – Silic: 21 40% Cr; 2,4 2,5% C; 5 10% Si; 0,5 0,6%Mn thì độ bền của màng oxyt có thể đến 8500 C.

Gang Kền Silic: 5 7% Si; 3% Cr; 13 20% Ni là loại gang bền nhiệt

rất cao.

Gang trắng là loại gang có hàm lƣợng Cr cao 0,5 2% C; 0,5 2,5%

Si; 8 36% Cr. Màng oxyt có thể bền đến nhiệt độ 900 10000C.

2.6.2. Lớp phủ bảo vệ

Lớp phủ bảo vệ là tạo trên bề mặt kim loại nền một lớp kim loại hoặc phi

kim bền với tác nhân ăn mòn trong môi trƣờng khí ớ nhiệt độ cao, lớp phủ bảovệ đƣợc tiến hành bằng nhiều phƣơng pháp:

2.6.2.1. Phƣơng pháp nhiệt khuếch tán

Khuếch tán nguyên tố kim loại bền vào trong kim loại chính (nền) và tạo

thành lớp hợp kim trên bề mặt của nó. Quá trình này đƣợc tiến hành ở nhiệt

cao, và làm thay đổi tính chất hoá lý của bề mặt kim loại chính (nền) . Để thực

hiện lớp phủ này ngƣời ta khuếch tán các kim loại khác ở dạng hơi, dạng bột,

dạng nóng chảy vào trong kim loại cần bảo vệ và hình thành lớp hợp kim bề

mặt.

Dƣới tác dụng của nhiệt độ cao,dao động nhiệt của các nguyên tử kim

loại nền có thể rời khỏi vị trí trong mạng lƣới tinh thể kim loại và tạo nên

những vị trí trống nguyên tử của các kim loại khác từ bề mặt kim loại gốc

khuếch tán vào chiếm các vị trí trống đó tạo nên các hợp kim tƣơng ứng. Để

cho cơ chế khuếch tán ở trên xảy ra thì kích thƣớc nguyên tử kim loại khuếch

tán không lớn hơn kích thƣớc nguyên tử gốc(nền) từ 10 15%.



36

Phủ nhiệt nhôm: Bao phủ lớp khuyếch tán nhiệt nhôm vào các chi tiết

bằng thép gang để bảo vệ chúng làm việc trong môi trƣờng không khí ở nhiệt

độ cao. Quá trình đƣợc thực hiện nhƣ sau:

Làm sạch các bề mặt chi tiết cần phủ bằng các phƣơng pháp cơ học

hoặc hoá học.

Đặt chi tiết trong thiết bị phản ứng, bên trong có chứa hỗn hợp kim

loại phủ mà thành phần gồm có:

49% hợp kim Al – Fe

49% bột Al2O3

2% NH4Cl

Quá trình đƣợc thực hiện ở nhiệt độ 900 1000oC, thời gian từ 4 24 giờ,

phản ứng xảy ra nhƣ sau: HCl(hơi) + Al(r)

0900 1000 C AlCl3(hơi) + H2

AlCl3 + 2Fe FeCl3(hơi) + 2Al(phân tán)

Al + Fe Fe – Al (hợp kim nhôm sắt trên bề mặt).

Hình 2.5: Sơ đồ thiết bị phủ nhôm

Sau quá trình nung, ngƣời ta ủ lớp khuếch tán này ở 900oC trong thời

gian 3 giờ để tránh giòn bề mặt chi tiết do hợp chất hoá học FeCl 3 còn dƣ. So

với các chi tiết không phủ thì độ bền của lớp khuếch tán tăng 20 lần khi làmviệc ở 800oC và tăng gấp 10 lần khi làm việc ở 900oC.

Lớp thấm nhiệt nhôm bền trong môi trƣờng khí SO2, hơi lƣu huỳnh… ở

nhiệt độ cao, do đó các chi tiết thép có lớp phủ này thƣờng đƣợc dùng làm vỏ

nồi hơi hoặc trong môi trƣờng không khí, SO2, hơi lƣu huỳnh ở nhiệt độ cao.

Lớp phủ Silic: Lớp phủ nhiệt khuyếch tán Si đƣợc dùng phổ biến trong

công nghiệp hoá học. Lớp phủ nhiệt này ngƣời ta dùng bột Si hoặc bột

Ferosilic, có thêm NH4Cl (để tránh oxy hoá) và tiến hành ở pha khí.Tốc độ của



37

quá trình, chiều dày của lớp phủ khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ của lò và

thời gian tiến hành quá trình.

Thƣờng quá trình này đƣợc thực hiện ở nhiệt độ T0 = 11000C thời gian

10 24 giờ, chiều dày lớp phủ khoảng 1mm. Quá trình phủ nhiệt đƣợc tiến

hành nhƣ sau:

Làm sạch bề mặt chi tiết cần phủ bằng phƣơng pháp cơ học hoặc

hoá học

Đặt chi tiết cần phủ vào trong lò, bên trong có chứa bột Silic hoặc

Ferosilic

Cho khí clo đi vào lò các phản ứng xảy ra :

2Cl2 + Si01100 C SiCl4(hơi)

3SiCl4(hơi) + 4Fe 3Si + 4FeCl3 Si + Fe Fe – Si (hợp kim bề mặt )

2.6.2.2. Phƣơng pháp phun kim loại ( kim loại hoá)

Nguyên lý của phƣơng pháp này là kim loại lỏng đƣợc dùng không khí

nén thổi làm phân tán thành các lớp sƣơng mù rất nhỏ bám lên bề mặt vật đã

đƣợc chuẩn bị sạch, tạo ra một lớp kim loại phủ dày. Phun kim loại có thể phủ

đƣợc các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng hoặc vật liệu phi kim

lên bề mặt kim loại.

2.6.3. Dùng môi trƣờng khí bảo vệ

Đó là phƣơng pháp lựa chọn và sử dụng thành phần môi trƣờng khí thích

hợp để chống ăn mòn khí khi gia công nóng các kim loại hoặc hợp kim .

Phƣơng pháp này sử dụng có hiệu quả nhất là trong thực tế gia công kim loại.

2.6.4. Phƣơng pháp giảm sự oxi hoá kim loại

Phƣơng pháp này không loại bỏ hoàn toàn khả năng oxi hoá của môi

trƣờng mà chỉ giảm tốc độ oxi hoá kim loại bằng các phƣơng pháp sau:

Nung kim loại trong môi trƣờng thiếu không khí.Thúc đẩy quá trình tạo màng bảo vệ trên bề mặt kim loại.

Tạo màng khí bảo vệ.

Nung trong lò điện phản ứng.

Dùng lớp bao phủ bảo vệ bằng vật liệu chịu lửa.


3.1. Để đánh giá độ bền ăn mòn của kim loại trong môi trƣờng khí ở nhiệt độ

cao ngƣời ta dựa vào chỉ tiêu nào?



38

3.2. Để đánh giá khả năng oxy hoá kim loại xảy ra thì ta dựa vào thông số hoá

lý nào?

3.3. Hãy nêu động học của ăn mòn hoá học sắt trong môi trƣờng khí.

3.4. Hãy nêu các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn khí.

3.5. Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn khí có hiệu quả, ngƣời ta sử dụng các

phƣơng pháp nào.

3.6 Xác định tính chất bảo vệ của màng oxyt magiê MgO. Cho biết M Mg =

24,305; dMg = 1,74 (g/cm3); DMgO = 3,56 (g/cm3).

3.7. Xác định tính chất bảo vệ của màng oxyt Titan TiO2. Cho biết MTi = 47,88;

dTi = 4,5 (g/cm3);2TiO

D = 3,56 (g/cm3).

3.8. Xác định tính chất bảo vệ của màng oxyt NiO và CaO. Biết rằng Canxi và

Niken thuộc cấu trúc lập phƣơng diện tâm (fcc). Cho biết: r Ca = 1,969 A0;r Ni = 1,245 A0; MCa = 40,078; MNi = 58,69; DCaO = 3,45 (g/cm3); DNiO = 6,64

(g/cm3).



39

BÀI 3

ĂN MÒN ĐIỆN HOÁ Mã bài: AMKL 3

Giới thiệu

Ăn mòn kim loại làm tổn thất khá lớn nền kinh tế, trong đó quá trình phá

hủy kim loại do ăn mòn điện hoá là chủ yếu. Ăn mòn điện hoá là một quá trình

phá hủy kim loại bởi các phản ứng oxy hoá – khử dị thể xảy ra đồng thời trên

bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá. Vì vậy nó đƣợc nghiên cứu nhiều và

đƣa ra những phƣơng pháp và thiết bị chống ăn mòn điện hoá đem lại hiệu

quả ngày càng lớn.

Mục tiêu thực hiện

Học xong bài này, học viên có khả năng: Nắm đƣợc nguyên nhân gây ra ăn mòn điện hoá kim loại.

Nắm đƣợc cơ chế và động học của quá trình ăn mòn điện hoá.

Nắm đƣợc những yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn điện hoá và

cơ chế ăn mòn điện hoá.

Nắm vững và vận dụng các biện pháp thực tế chống lại sự ăn mòn.

Nắm đƣợc ăn mòn của một số kim loại và hợp kim thƣờng gặp ở

các môi trƣờng khác nhau.

Thực hiện thí nghiệm về ăn mòn điện hoá.

Nội dung

1. Những Vấn đề cơ bản về ăn mòn điện hoá

Xét sự làm việc cuả 1 pin Cu-Zn trong 1 dung dịch điện ly, ta thấy miếng

kẽm anot mòn dần do hiện tƣợng hoà tan. Nhƣ vậy kẽm đóng vai trò là anot

trong pin Cu – Zn, còn đồng đóng vai trò là catot.

Anot: Zn - 2e = Zn+2

Catot: 2H+ + 2e = H2 Zn+2/Zn = - 0,76 v

Cu+2/ Cu = 0,34 v

Trong thực tế quá trình ăn mòn xảy ra trên cùng 1 kim loại, nghĩa là trên

đó xảy ra đồng thời quá trình anod và catod và đƣa đến sự phá huỷ kim loại.



40

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống pin ăn mòn Cu – Zn.

1.1 Định nghĩa

Ăn mòn điện hoá là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng điện hoá giữa

kim loại và môi trƣờng.

1.2. Đặc điểm

Xuất hiện dòng điện cục bộ.

Chỉ xảy ra khi kim loại tiếp xúc trong môi trƣờng chất điện ly.

Trong ăn mòn điện hoá có 2 quá trình xảy ra đồng thời đó là quá trình

oxy hoá và quá trình khử, 2 quá trình không tiến hành trên cùng 1 chổ. Tốc độ

của quá trình ăn mòn kim loại là tổng tốc độ của quá trình ăn mòn của nhiều vi

pin cục bộ. Tốc độ của từng vi pin phụ thuộc chủ yếu vào điện thế điện cực.

1.3. Nguyên nhânXuất hiện các vùng điện thế khác nhau trên bề mặt kim loại dẫn đến

sự hoạt động của các vi pin, mà vùng có điện thế điện cực âm hơn

là anot (vi anot), vùng có điện thế điện cực dƣơng hơn là catot (vi

catot).

Vai trò của các vùng có thể thay đổi theo thời gian.

Xuất hiện các vùng điện thế khác nhau: do bề mặt không đồng nhất,

do các điều kiện môi trƣờng không đồng nhất.

2. Điện thế điện cực

2.1. Điện thế điện cực

Quá trình ăn mòn kim loại bởi tác dụng điện hoá là do khả năng ion kim

loại tách khỏi bề mặt kim loại và chuyển vào dung dịch. Sự chuyển dịch đó đòi

hỏi năng lƣợng để thắng lực hút của các của các điện tử trong kim loại. Năng

lƣợng đó là năng lƣợng hoá học của quá trình hydrat hoá.

Đối với các kim loại khác nhau thì khả năng để cho các ion của chúng

chuyển đƣợc vào dung dịch cũng khác nhau. Khả năng đó đƣợc đặc trƣngbằng độ bền nhiệt động của kim loại.



41

Khi nhúng thanh kim loại vào chất điện ly thì xảy ra sự tác dụng giữa chất

điện ly và kim loại, kết quả trên giới hạn phân chia giữa 2 pha sẽ xuất hiện lớp

điện tích kép và bƣớc nhảy điện thế gọi là điện thế điện cực. Nguyên nhân

xuất hiện nhƣ sau:

Chuyển cation từ bề mặt kim loại vào dung dịch, trên bề mặt kim loại

dƣ điện tích nên tích điện âm. Giữa các ion kim loại đã tan vào dung

dịch mang điện tích dƣơng và bề mặt kim loại mang điện tích âm có

lực hút tĩnh điện nên thiết lập một hiệu thế, tạo nên lớp điện tích kép.

Nếu trên bề mặt kim loại có thể hấp phụ các cation của dung dịch

làm bề mặt kim loại tích điện dƣơng và các anion dƣ trong dung dịch

thiết lập một hiệu thế, tạo lớp điện tích kép.

Hấp phụ chọn lọc các anion có trong dung dịch hay phân tử lƣỡng cực.

Do kết hợp 2 nguyên nhân trên, nghĩa là có sự hấp phụ anion, phân

tử có cực hay nguyên tử trên bề mặt kim loại trong điều kiện cation

chuyển từ kim loại vào dung dịch hay dung dịch vào kim loại.

2.2. Điện thế điện cực cân bằng và không cân bằng

Khi nhúng kim loại vào trong chất điện ly có khả năng xuất hiện điện thế

điện cực cân bằng và không cân bằng.

2.2.1. Điện thế điện cực cân bằng Là điện thế xác định ở trạng thái cân bằng nghĩa là chỉ cùng 1 kim loại ion

trao đổi và tốc độ của quá trình anot và catot bằng nhau ( I I

), tổn thất kim

loại bằng không (ăn mòn kim loại không xảy ra). Điện thế điện cực cân bằng

của kim loại có thể đo đƣợc và tính toán theo phƣơng trình nhiệt động:

n

0

Me TN Me TN Me

RT(V ) (V ) lna

nF (3.1)

Trong đó: 0

Me TN(V ) : điện thế điện cực chuẩn của kim loại.

R : hằng số khí.

T : nhiệt độ tuyệt đối, 0K.

F : số Faraday, F = 96943 C.

n : hoá trị của ion kim loại.



42

Hình 3.2: Sơ đồ thiết lập điện thế điện cực cân bằng.

2.2.2. Điện thế điện cực không cân bằng

Là điện thế điện cực đƣợc thiết lập ở trạng thái ổn định mà quá trìnhtrao đổi ngoài ion kim loại, có các loại ion khác tham gia quá trình trao đổi.

Điện thế điện cực này không tính toán theo phƣơng trình nhiệt động mà chỉ có

thể xác định bằng thực nghiệm.

Điện thế điện cực xác định đƣợc trong điều kiện ổn định là tổng tốc độ

của các quá trình anot bằng tổng tốc độ của quá trình catot (1 2 1 2I I I I

) thì

gọi là điện thế ổn định của kim loại. Trong trƣờng hợp này tổn thất kim loại

m 0 : do đó kim loại bị ăn mòn ( 1 1I I

).

Hình 3.3: Sơ đồ thiết lập điện thế điện cực không cân bằng.

3. Cơ chế ăn mòn điện hoá và khả năng xảy ra ăn mòn điện hoá

3.1. Cơ chế ăn mòn điện hoá

Xét trƣờng hợp khi nhúng 1 thanh kim loại không đồng nhất vào 1 dung

dịch điện ly. Do chênh lệch điện thế điện cực (bề mặt kim loại không đồng

nhất) mà quá trình điện cực xảy ra đồng thời trên các vùng đó cũng khác



43

nhau, chọn 2 vùng không đồng nhất bất kỳ của thanh kim loại nằm sát nhau ta

thấy xảy ra 3 quá trình sau đây:

Quá trình anot: là quá trình oxy hoá. Trong trƣờng hợp ăn mòn, ion

kim loại từ mạng lƣới tinh thể chuyển ra dung dịch tạo thành ion

hydrat hoá, để lại các điện tử tƣơng ứng. Quá trình này xảy ra trên

vùng anot theo phản ứng:

2mH On n

2Me .ne Me .mH O ne

Quá trình catot: là quá trình khử, ở đó các ion, nguyên tử, hoặc phân

tử của chất điện ly nhận điện tử trên bề mặt kim loại . Các ion,

nguyên tử hoặc phân tử gọi là chất khử cực. Quá trình này xảy ra

trên vùng catot theo phản ứng sau:

D + ne = [D.ne]Trong đó : D là chất khử phân cực

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên tắc quá trình ăn mòn điện hoá.

Khi 2 quá trình điện cực xảy ra thì đồng thời có sự chuyển động của

điện tử từ vùng anod đến vùng catot, trong dung dịch điện ly cũng có

sự dịch chuyển của cation và anion tƣơng ứng.

Thí dụ: quá trình ăn mòn điện hoá của các nguyên tố ganvanic Cu – Fevà Zn – Fe theo hình vẽ sau đây:

Các điện tử dƣ của kim loại từ vùng anot chuyển đều vùng catot để bù

vào số điện tử của vùng này bị mất đi do chất khử cực D phản ứng.Kim loại

vùng cực dƣơng tiếp tục tan ra thì dòng điện tồn tại.

Nhƣ vậy quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng

điện giữa 2 vùng khác nhau của thanh kim loại. Vùng kim loại bị hoà tan đóng

vai trò cực âm (anot) còn vùng kia đóng vai trò cực dƣơng (catot). Hệ thống



44

trên gọi là nguyên tố ganvanic (pin). Quá trình ăn mòn điện hoá chính là quá

trình làm việc của các nguyên tố ganvanic (nguyên tố vi pin).

Hình 3.5: Ăn mòn điện hoá giữa các cặp nguyên tố kim loại Cu – Fe và

Zn – Fe

3.2. Khả năng xảy ra quá trình ăn mòn điện hoá

Trong quá trình ăn mòn điện hoá, muốn cho các quá trình điện cực xảy ra

thì điều kiện là biến thiên năng lƣợng tự do của hệ TG 0 .

T TG nE F (3.2)Trong đó :

TG : biến thiên năng lƣợng tự do của quá trình ăn mòn.

n: số đƣơng lƣợng gam.

F: số faraday.

ET: sức điện động của nguyên tố ăn mòn thuận nghịch.

ET = (VK)TN - (V A)TN (3.3)

+

(VK)TN: thế điện cực thuận nghịch của điện cực catot ở điềukiện làm việc.

+ (V A)TN: thế điện cực thuận nghịch của điện cực anot ở điều kiện

làm việc.

Để quá trình ăn mòn xảy ra thì ET > 0 (do n > 0, F > 0). Từ điều kiện này

ta có thể tính đƣợc quá trình ăn mòn điện hoá có hoặc không có khả năng tự

xảy ra.



45

Hình 3.6: Sơ đồ ăn mòn pin Cu - Zn

4. Hiện tƣợng phân cực và khử phân cực

4.1. Hiện tƣợng phân cực

Nhúng 2 thanh kim loại khác nhau (ví dụ gồm thanh đồng và thanh kẽm)vào 1 dung dịch điện ly (dung dịch NaCl). Đo điện thế điện cực của mỗi kim

loại khi hở mạch ta có:0

KV : điện thế của đồng (điện cực catot).

0

AV : điện thế của kẽm (điện cực anot).

Khi nối 2 cực bằng dây dẫn thì sẽ có dòng điện chạy từ cực dƣơng sang

cực âm. Theo định luật ôm, cƣờng độ dòng điện sau khi đóng mạch:0 0

K AM

V VIR

(3.4)

R: điện trở của mạch

Sau khi đóng mạch, cƣờng độ dòng điện giảm từM

I I. Do điện trở

trong không thay đổi, dòng điện bé hơn chỉ có thể do điện thế điện cực thay

đổi

Điện thế catot 0

KV giảm xuống VK

Điện thế anot 0

AV tăng lên V A K A

M

V VI I

R

0

K K KV V V : đại lƣợng phân cực catot.

0

A A AV V V : đại lƣợng phân cực anot.



46

Hình 3.7: Biểu đồ đƣờng cong phân cực

Vậy phân cực anot là sự chuyển điện thế anod về phía dƣơng hơn khi có

dòng điện anot. Phân cực catot là sự chuyển điện thế catot về phía âm hơnkhi có dòng điện catot.

4.2. Hiện tƣợng khử phân cực

Những quá trình làm giảm sự phân cực anot và catot, làm cho quá trình

anot và catot tiến hành dễ dàng hơn gọi là sự khử phân cực anot hay catot.

5. Phân cực anot - phân cực catot

5.1. Phân cực anot

Là hiện tƣợng dịch chuyển của điện thế anot về phía dƣơng hơn làm cho

quá trình anot xảy ra khó khăn hơn. Nguyên nhân:Do tốc độ phản ứng ở anod chậm

2mH On n

2Me .ne Me .mH O ne

Lúc này ion kim loại bị hydrat rồi chuyển vào dung dịch, điện tử

chuyển sang vùng catot, nhƣng tốc độ chuyển động điện tử sang

vùng catot lớn hơn tốc độ của ion kim loại chuyển vào dung dịch.

Kết quả bề mặt điện cực anot tích điện dƣơng, do vậy điện thế anot

có trị số dƣơng hơn. Do khuếch tán ion kim loại từ bề mặt vùng anot vào dung dịch chậm,

làm giảm quá trình ion hoá kim loại ở điện cực, kết quả làm cho điện

thế anot chuyển về phía dƣơng hơn. Nguyên nhân này còn gọi là

phân cực nồng độ, và có thể xác định theo phƣơng trình:

n

n

Me A nd

Me

aRT( V ) ln

nF a (3.5)

Trong đó:



47

nMea : hoạt độ của ion kim loại ở sát bề mặt.

nMea : hoạt độ của ion kim loại trong dung dịch.

Tạo thành màng thụ động khi trong dung dịch có chứa các chất oxi

hoá và không có anion hoạt động (F-, Cl-, I-) ngăn cản quá trình ionhoá kim loại.

5.2. Phân cực catot

Là sự chuyển thế điện cực catot về phía âm hơn khi có dòng điện catot,

ngăn cản quá trình catot:

D + ne D.ne

Quá trình khử phân cực catot ăn mòn điện hoá có thể thực hiện bởi các

loại chất khử phân cực sau:

Ví dụ:

H+.H2O + e = H + H2O =2

1H

2 + H2O

S2O8-2 + 2e = S2O8

-4 = 2SO4-2

O2 + 2e + 2H2O = 4OH-

Cl2 + 2e = 2Cl-

Fe3O4 + 2e + H2O = 3FeO + 2OH-

Nguyên nhân:Do tốc độ phản ứng khử ở catot chậm, có nghĩa là tốc độ phản ứng

của chất khử cực nhận điện tử chậm hơn tốc độ điện tử từ vùng

anot chuyển sang catot, kết quả bề mặt điện cực catot tích điện âm

làm cho điện thế điện cực chuyển về phía âm hơn.

Do tốc độ chuyển động của chất khử cực D đến bề mặt catot chậm

hoặc do sự khuếch tán sản phẩm phản ứng khử từ bề mặt điện cực

vào sâu trong dung dịch giảm. Kết quả bề mặt điện cực catod dƣ

điện tích âm do đó điện thế điện cực catot chuyển về phía âm hơn.

6. Ăn mòn khử phân cực hyđro và khử phân cực oxy

6.1. Ăn mòn khử phân cực Hyđro

6.1.1. Ăn mòn khử phân cực hyđro và khả năng nhiệt động của nó

Quá trình ăn mòn kim loại có khí H2 thoát ra do khử phân cực catot gọi là

quá trình ăn mòn khử phân cực hyđro.

H+.H2O + e = H + H2O =2

1H

2 + H2O

Quá trình này thƣờng xảy ra trong môi trƣờng axit



48

Điều kiện xảy ra: (VMe)TN <2H TN

(V )

12 2 2

2

0 HH TN H TN

H

aRT(V ) (V ) ln

nF P (3.6)

Trong đó:

2

0

H TN(V ) = 0: điện thế tiêu chuẩn của điện cực hyđro.

Ha : hoạt độ của ion H+.

2HP : áp suất riêng phần của H2.

6.1.2. Quá trình khử phân cực hyđr o

Chia làm các giai đoạn sau:

Các ion H+

hyđrat hóa (H+.

H2O), khuếch tán đến bề mặt catot.Ở catot các ion H+.H2O bị khử thành nguyên tử H có khả năng hấp

phụ trên bề mặt kim loại.

Một phần nguyên tử hyđro khuếch tán vào bề mặt kim loại vùng

catot.

Phần lớn nguyên tử hyđro kết hợp tạo phân tử H2.

Hhp + Hhp = H2

Các phân tử hyđro khuếch tán vào dung dịch, sau đó khuếch tán ra

không khí.

Các phân tử hyđro trên bề mặt catot tập hợp tạo thành bọt khí và

thoát khỏi bề mặt kim loại.

H2 + H2 + ….+ H2 2nH .

Hình 3.8: Sơ đồ quá trình catot khử phân cực hydro.



49

6.2. Ăn mòn khử phân cực oxy

6.2.1. Ăn mòn khử phân cực oxy và khả năng nhiệt động của nó

Quá trình ăn mòn kim loại mà phản ứng khử phân cực catot do ion hóa

oxy:

O2 + 4e + 2H2O 4OH-

Dạng quá trình ăn mòn này rất phổ biến trong thực tế, nó thƣờng xảy ra

trong môi trƣờng điện ly trung tính: nƣớc biển, nƣớc sông, trong đất hay trong

môi trƣờng axit hoặc kiềm yếu.

Điều kiện để xảy ra: (VMe)TN <2O TN(V ) .

2

2 2

O0

O TN O 4

OH

PRT(V ) V ln

4F a (3.7)

Trong đó:

2

0OV : điện thế tiêu chuẩn của điện cực của oxy.

2OP : áp suất riêng phần của oxy.

OHa : hoạt độ của ion OH-.

Hình 3.9: Sơ đồ quá trình catot khử phân cực oxy.

6.2.2. Quá trình khử phân cực oxy

Quá trình khử phân cực oxy gồm các giai đoạn sau:

Oxy trong không khí khuếch tán vào dung dịch điện ly qua bề mặt

thoáng của dung dịch.Oxy hòa tan trong dung dịch đƣợc chuyển vận

sâu vào trong dung dịch điện ly do khuấy, khuếch tán hay đối lƣu.

Chuyển oxy qua lớp Prant (lớp chất điện giải gần bề mặt ăn mòn, có

chiều dày P).



50

Chuyển oxy qua lớp khuếch tán của chất điện giải, lớp chất lỏng này

có chiều dày , không chuyển động và nằm sát điện cực catot.

Ion hóa oxy

Trong môi trƣờng trung tính và kiềm:

O2 + 4e + 2H2O = 4OH-.

Trong môi trƣờng axit:

O2 + 4e + 4H+ = 2H2O.

Khuếch tán ion OH- từ bề mặt catod vào dung dịch.

7. Xem xét quá trình ăn mòn bằng biểu đồ ăn mòn

Từ biểu đồ phân cực ăn mòn của hệ thống, ta có thể xác định đƣợc tốc

độ ăn mòn điện hóa, phân tích quá trình ăn mòn điện hóa, nghiên cứu đặc tính

ăn mòn và đề ra các phƣơng pháp bảo vệ một cách có hiệu quả. 7.1. Xác định tốc độ ăn mòn điện hóa theo biểu đồ ăn mòn

Phƣơng pháp này còn gọi là phƣơng pháp điện hóa. Ở phƣơng pháp này

ta có thể tính đƣợc độ tổn thất kim loại trong quá trình ăn mòn và tốc độ ăn

mòn.

Độ tổn thất kim loại bị ăn mòn ở anod đƣợc xác định theo định luật

Farađay:

A.q A.I.

m n.F n.F (3.8)

Trong đó:

m : khối lƣợng kim loại bị ăn mòn (g).

A: nguyên tử gam của kim loại (g).

Q: điện lƣợng chạy từ anot sang catot (C).

I: cƣờng độ dòng điện ăn mòn (A)

: thời gian (s).

N: hóa trị của kim loại trong quá trình ăn mòn.F: hằng số Faraday (F = 96500 C = 96500 A.s).

Tốc độ ăn mòn điện hoá đƣợc xác định bằng khối lƣợng kim loại bị ăn

mòn trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

m A

A A A

m A.I. A.I AK .i

S . nF. .S nF.S nF (g/m2.s). (3.9)

Với A

A

Ii

S

.

Trong đó:



51

Km: tốc độ ăn mòn điện hóa (g/m2.s).

i A: mật độ dòng điện anot (A/m2).

S A: diện tích điện cực anod (m2).

7.2. Phân tích quá trình ăn mòn theo biểu đồ ăn mòn

Trị số dòng điện ăn mòn đƣợc xác định:

K AV V

IR

(3.10)

Trong đó:0

K K KV V V

0

A A AV V V

Khi mật độ dòng điện i rất nhỏ thì trị số phân cực phụ thuộc vào mật độ

dòng điện theo quan hệ:

A 1 AV k .i A

A

I(i )

S.

K 2 KV k .i K

K

I(i )

S.

Thay vào (3.10) ta có:0 0 0 0

K A K A

1 2 A K

A K

V V V VI k k R P P

RS S

(3.11)

Trong đó:

1 A

A

kP

S ; 2

K

K

kP

S.

P A: độ phân cực riêng của anot.

PK: độ phân cực riêng của catot.

Sức điện động E hệ thống ăn mòn điện hóa bị giảm do khắc phục 3 trởlực: điện thế rơi RV , đại lƣợng phân cực anot AV , đại lƣợng phân cực catot

KV . Biểu diễn mức độ khống chế của các thành phần trở lực so với trở lực

chung của hệ thống:

A A A A 0 0

A K R A K K A

P V VC

R P P V V V V V. (3.12)

K K K

K 0 0 A K R A K K A

P V V

C R P P V V V V V . (3.13)



52

R R RR 0 0

A K R A K K A

P V VC

R P P V V V V V. (3.14)

Trong đó:

C A: mức độ khống chế của anot.CK: mức độ khống chế của catot.

CR: mức độ khống chế điện trở của mạch ngoài.

Khi hệ thống ăn mòn hoàn toàn phân cực thì CR = 0, khi đó dòng điện ăn

mòn là cực đại: 0 0 0 0

K A K Amax

1 2 A K

A K

V V V VI

k kP P

S S

. (3.15)

Căn cứ biểu thức trên ta thấy trị số dòng điện ăn mòn trong hệ thống

phân cực hoàn toàn Imax có thể thay đổi sức điện động của hệ thống hoặc thay

đổi độ phân cực.



53

Hình 3.10: Biểu đồ ăn mòn biểu diễn sự thay đổi dòng điện ăn mòn phụ thuộc

vào các yếu tố khống chế quá trình.

a: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi điện cực anot.

b: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi điện cực catot.

c: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi độ phân cực catot.

d: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi độ phân cực anot.

e: thay đổi đồng thời độ phân cực anot và catot nhƣng giữ nguyên sức

điện động của hệ thống.

8. Hiện tƣợng thụ động - khử thụ động

8.1. Hiện tƣợng thụ động kim loại

Khảo sát thí nghiệm: nhúng thanh sắt vào dung dịch HNO3. Giữ nhiệt độ

dung dịch không thay đổi. Thay đổi nồng độ axit và đo tốc độ ăn mòn ứng với

nồng độ ấy. Kết quả biểu diễn trên giãn đồ.



54

Hình 3.11: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn sắt vào nông độ

HNO3.

Từ biểu đồ cho ta thấy khi tăng nồng độ HNO3 thì tốc độ ăn mòn tăngdần và đạt giá trị cực đại ở nồng độ 35% HNO 3. Sau đó nếu tăng nồng độ axit

thì tốc độ ăn mòn giảm xuống đến gia trị rất nhỏ . Nhƣ vậy sắt đã bị thụ động

hóa.

Hiện tƣợng thụ động kim loại: là trạng thái khi bề mặt kim loại tiếp xúc

môi trƣờng xâm thực tạo thành màng hay lớp hấp thụ ngăn cản quá trình anot

hòa tan kim loại.

Chú ý: Không phải mọi qúa trình làm chậm ăn mòn đều là quá trình thụ

động hóa.Ví dụ: Au, Pt bền trong môi trƣờng xâm thực là do độ bền nhiệt động của

bản thân kim loại chứ không phải do thụ động hóa.

Khi kim loại bị thụ động hóa có hai đặc điểm sau:

Tốc độ ăn mòn của kim loại giảm đi rất nhanh.

Điện thế điện cực của kim loại phải chuyển về trị số dƣơng hơn.

Ví dụ:

Fe: -0,2 -0,5 v +0,5 +1,0 v.

Cr: -0,4 -0,6 v +0,9 v.

Sự thụ động của kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Bản chất kim loại : những kim loại thuộc chu kỳ IV, VI, VIII ở dãy 1

dễ thụ động.

Tính chất của môi trƣờng: nồng độ của dung dịch, loại ion trong

dung dịch, trạng thái hoạt động của dung dịch, nhiệt độ của dung

dịch. Những chất dễ làm cho kim loại bị thụ động là những chất oxy

hoá mạnh: NaNO3, NaNO2, K2Cr 2O7, KMnO4, KClO3.8.2. Hiện tƣợng khử thụ động - Sự hoạt hóa:

Khi kim loại đã bị thụ động hóa, nếu thay đổi các điều kiện chẳng hạn

nhƣ: thành phần dung dịch, nhiệt độ dung dịch thì có thể làm mất trạng thái

thụ động. Hiện tƣợng đó gọi là sự khử thụ động.

Các yếu tố khử thụ động:

Tăng nhiệt độ của dung dịch điện ly làm cho oxi hòa tan trong dung

dịch giảm, từ đó làm giảm khả năng tự thụ động của kim loại.



55

Đƣa các chất khử vào để khử màng thụ động, làm mất màng thụ

động làm cho kim loại bị hòa tan.

Đƣa các ion hoạt động vào dung dịch: H+, Cl-, Br -, I- để phá hủy

màng thụ động.

Phá hủy màng do tác nhân cơ học.

9. Các thuyết về trạng thái thụ động của kim loại

Để giải thích hiện tƣợng thụ động của kim loại, ngƣời ta đƣa ra nhiều

thuyết khác nhau, nhƣng có hai thuyết chính: thuyết màng và thuyết hấp phụ.

9.1. Thuyết màng

Kim loại ăn mòn do phản ứng ở vùng anot:

Me + mH2O Me+n.mH2O + ne

Khi kim loại bị thụ động thì quá trình anot trên không xảy ra do hình thànhmàng bảo vệ trên bề mặt của nó. Màng mỏng này mỏng và không nhìn thấy

đƣợc, đó là sản phẩm giữa sự tác dụng kim loại với môi trƣờng thƣờng ở

dạng oxyt hay hyđroxyt kim loại:

mMe + m.nOH- = Mem(OH)m.n + m.ne

m m.n 2

2

m.nmMe m.nOH Me O H O m.ne

2

Màng hình thành này bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại hoặc một số vùng

hoạt động của kim loại. phần màng phủ này lúc này đóng vai trò là catot, còn

bề mặt kim loại chƣa bị bao phủ đóng vai trò là anot. Do diện tích anot giảm,

nên mật độ dòng anot tăng ( A

A

Ii

S) dẫn đến các nguyên tử kim loại ở anot

bị oxi hóa mạnh, tạo thành ion hóa trị cao. Trong điều kiện của môi trƣờng ăn

mòn sẽ tạo sản phẩm dạng oxyt hoá trị cao, không hòa tan và có tính chất bảo

vệ.

9.2. Thuyết hấp phụ 9.2.1. Quan điểm hóa học

Bề mặt kim loại hấp phụ lớp đơn phân tử oxi, lớp phân tử chất oxi hóa.

Lớp hấp phụ đơn phân tử này bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại hoặc chỉ

những vùng hoạt động nhất.

Các phân tử hấp phụ này bám trên bề mặt kim loại, liên kết và làm bảo

hòa hóa trị hoạt động của các nguyên tử kim loại, làm giảm khả năng hoạt

động của bề mặt kim loại. Lớp hấp phụ đơn phân tử này có tính chất khác với



56

lớp hợp chất đó ở điều kiện thông thƣờng, thƣờing là độ bền hóa học cao

hơn.

Ví dụ: Sắt thụ động trong dung dịch kiềm do lớp đơn phân tử oxi hấp phụ

trên bề mặt nhƣng màng oxyt thƣờng có thể hòa tan trong dung dịch đó.

9.2.2. Theo quan điểm điện hóa

Lớp oxi hấp thụ trên bề mặt kim loại sẽ nhận điện tử từ bề mặt kim loại

trở thành ion lƣỡng cực, khi đó đầu dƣơng sẽ hƣớng vào kim loại, đầu âm sẽ

quay ra ngoài. Lúc này lớp điện tích kép thay đổi, điện thế điện cực chung của

kim loại sẽ chuyển về phía dƣơng hơn. Công để thoát kim loại tăng, khuynh

hƣớng chuyển ion vào dung dịch giảm.

10. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tốc độ ăn mòn điện hóa

Có 2 yếu tố chính: Yếu tố bên trong thuộc về kim loại.

Yếu tố bên ngoài thuộc về môi trƣờng ăn mòn.

10.1. Các yếu tố bên trong

10.1.1. Độ bền nhiệt động của kim loại

Để quá trình ăn mòn có khả năng tự xảy ra khi TG 0 ( TG = -nETF).

Lúc này điều kiện ăn mòn xảy ra khi ET > 0, mà ET phụ thuộc vào bản chất của

kim loại.

Ví dụ:

Môi trƣờng tr ung tính2

0

HV = -0,41v. Những kim loại nào có điện thế

cực âm hơn sẽ bị hòa tan (ăn mòn) trong môi trƣờng trung tính. 0

ZnV ,

0

AlV , 0

KV , 0

NaV <2

0

HV , những kim loại Zn, K, Al, Na…bị hòa tan trong

môi trƣờng trung tính. Ag, Cu, Hg không bị hòa tan.

Môi trƣờng axit (khử phân cực hydro),2

0

HV = 0,00v; 0

FeV = -0,44v;

0

ZnV = -0,76v; những kim loại Fe, Zn bị hòa tan. Những kim loại có

điện thế dƣơng hơn so với2

0

HV sẽ không hòa tan nhƣ Cu, Ag…

10.1.2. Vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn:

Tính chất bền ăn mòn của các kim loại phụ thuộc vào các yếu tố bên

tr ong và yếu tố bên ngoài nên bảng tuần hoàn không thể phản ánh tính bền

chung đƣợc mà chỉ nêu lên một số tính chất có qui luật. Trong bảng tuần hoàn

Mendelep tính chất hóa học các nguyên tố phụ thuộc vào khối lƣợng nguyên



57

tử, tính chất bền ăn mòn của các nguyên tố cũng tuân theo định luật tuần

hoàn và liên quan vị trí của nó trong bảng tuần hoàn.

Những kim loại thuộc phân nhóm 1A, 2A độ bền kém, ăn mòn cao, các

kim loại thuộc chu kỳ 4, 5, 6 và phân nhóm phụ IVB, VIB, VIIIB thì độ bền nhiệt

động của kim loại tăng, đặc biệt các kim loại chuyển tiếp (Os, Ir, Pt) và nhóm

IB (Cu, Ag, Au) là các kim loại chịu ăn mòn tốt hơn cả.

10.1.3. Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim

Các chi tiết máy móc thiết bị trong thực tế thƣờng dùng bằng hợp kim ,

còn các kim loại nguyên chất rất ít dùng. Do đó độ bền ăn mòn điện hoá của

hợp kim không những phụ thuộc vào thành phần hoá học mà còn phụ thuộc

vào cấu trúc của nó. Ngƣời ta thƣờng dùng các kim loại dễ bị thụ động hoá

làm các nguyên tố hợp kim để tạo các hợp kim sử dụng trong kỹ thuật chốngăn mòn nhƣ Cu, Ni, Si, V… Hợp kim đƣợc chia thành 2 loại: hợp kim đơn pha

và hợp kim nhiều pha.

Hợp kim nhiều pha: đƣợc tạo thành do các kim loại ở trạng thái rắn

kết tinh thành các pha có thành phần hoá học và tính chất vật lý

khác nhau. Theo quan điểm ăn mòn điện hoá, độ bền ăn mòn của

hợp kim nhiều pha sẽ phụ thuộc vào sự hoạt động của hệ thống

nhiều điện cực, nói chung hợp kim này ít bền. Một số trƣờng hợp

bền ăn mòn cao nhƣ đồng Silic.Hợp kim đơn pha: có thể là hợp kim ở dạng dung dịch rắn hay hợp

chất hoá học. Hợp kim đơn pha ở dạng đơn chất hoá học ít đƣợc

sử dụng vì dòn và tính công nghệ kém. Hợp kim là dung dịch rắn

dùng phổ biến để chế tạo các thiết bị máy móc chống ăn mòn. Dung

dịch rắn này có 2 loại, loại dung dịch rắn lẩn và dung dịch rắn thế,

nhƣng nhiều trƣờng hợp do nâng cao tính đồng nhất về cấu tạo chủ

yếu là tạo thành dung dịch rắn thế.

10.1.4. Đặc tính của ứng suất

Ứng suất hoặc biến dạng trong kim loại có thể xuất hiện trong quá trình

gia công chƣa khử bỏ đƣợc hoặc xuất hiện trong quá trình làm việc của máy

móc thiết bị. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào trạng thái ứnh suất, đặc tính biến

đổi của ứng suất (tải trọng động).

Trạng thái ứng suất: Khi kim loại bị ăn mòn đồng thời chịu tác dụng của

ứng suất thì quá trình phá huỷ kim loại xảy ra nhanh hơn rất nhiều. Nguyên

nhân do không đồng nhất về ứng suất trong kim loại tạo nên vùng anot . Kimloại ở vùng anot bị hoà tan, màng bảo vệ hình thành trƣớc đó cũng bị phá



58

huỷ, tạo nên những vết nứt có thể nằm ở đƣờng biên tinh thể, vết nứt tiếp tục

phát triển thành khe nứt. Trong khe nứt lại dễ dàng hấp phụ các chất có hoạt

tính ăn mòn cao làm khe nứt phát triển nhanh hơn đến khi phá hủy kết cấu

kim loại. Để tránh nguy cơ nứt nẻ do ăn mòn, ngƣời ta dùng các biện pháp

sau:

Sử dụng các thép có hàm lƣợng cacbon thấp < 0,2%.

Ủ để khử ứng suất còn dƣ sau gia công.

Xử lý môi trƣờng

Bao phủ bảo vệ.

Dùng chất làm chậm ăn mòn.

Bảo vệ bằng điện hoá.

Đặc tính biến đổi của ứng suất (tải trọng động): Khi chịu tác dụng của tảitrọng động thì kim loại bị mỏi. Nếu ứng suất vƣợt quá giới hạn mỏi thì trên bề

mặt kim loại sẽ xuất hiện vết nứt. Dƣới tác dụng của ứng suất biến đổi sẽ tạo

các khe nứt nhỏ trên bề mặt kim loại làm phá huỷ kim loại một cách nhanh

chóng, chứ không phải làm tăng tốc độ ăn mòn nói chung. Đó chính là dạng

phá huỷ do ăn mòn các chi tiết máy làm việc chịu tác dụng đồng thời của ứng

suất biến đổi và của môi trƣờng ăn mòn: trục khuấy, trục bơm, cánh bơm,

tuabin.

10.1.5. Trạng thái bề mặt của kim loại

Khi bề mặt kim loại đƣợc gia công phẳng và đánh bóng thì nâng cao độ

bền ăn mòn do khả năng tạo thành màng thụ động nhanh chóng hơn, đồng

nhất hơn. Vì khi bề mặt kim loại nhẵn bóng thì hơi nƣớc khó ngƣng tụ, các

chất ăn mòn khác khó bám đọng, làm giảm diện tích tiếp xúc giữa môi trƣờng

và bề mặt kim loại.

10.2. Các yếu tố bên ngoài

10.2.1. Ảnh hƣởng của pH Ảnh hƣởng trực tiếp: độ pH ảnh hƣởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn điện

hoá khi ion H+ hoặc ion OH- trực tiếp tham gia vào quá trình điện cực . Khi

thay đổi pH thì điện thế điện cực oxy và hydro thay đổi. Kết quả quá trình ăn

mòn khử phân cực oxy và khử phân cực hydro thay đổi.

Ảnh hƣởng gián tiếp: Thay đổi độ pH có thể hoà tan sản phẩm ăn mòn

hay tạo thành màng bảo vệ trên bề mặt điện cực. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn

mòn điện hoá vào độ pH của môi trƣờng đối với các kim loại đƣợc chia thành

3 nhóm:



59

Những kim loại quý mà màng oxyt của nó không hoà tan trong môi

trƣờng axit và môi trƣờng kiềm, nghĩa là tốc độ ăn mòn của nó

không phụ thuộc vào độ pH. Thí dụ : Au, Ag,Pt…

Những kim loại mà oxyt của nó hoà tan trong axit mà không hoà

tan trong kiềm là do màng bảo vệ ở dạng hydroxyt. Thí dụ : Ni, Co,

Cu, Cr, Mn, Fe.

Những kim loại mà màng oxyt của nó hoà tan cả trong axit và trong

kiềm là do màng bảo vệ ở dạng hydroxyt lƣỡng tính.Trong môi

trƣờng axit và trong môi trƣờng kiềm, màng hydroxyt của nó đều bị

tác dụng tạo thành muối hoà tan.

Thí dụ : màng kẽm hydroxyt Zn(OH)2

Trong môi trƣờng axit.Zn(OH)2 + 2HCl Zn+2 + 2Cl- + 2H2O.

Trong môi trƣờng kiềm.

Zn(OH)2 + 2NaOH 2Na+ + ZnO2-2 + 2H2O.

10.2.2. Ảnh hƣởng thành phần và nồng độ của dung dịch điện ly trung

tính

Tốc độ ăn mòn điện hoá phụ thuộc vào bản chất của dung dịch muối hoà

tan và nồng độ của nó trong dung dịch.

Muối có tính oxy hoá làm chậm tốc độ ăn mòn, hoặc đôi khi ngăn

cản hoàn toàn quá trình ăn mòn do kim loại bị thụ động khi tăng

nồng độ muối đến một giá trị nhất định. Thí dụ: muối KMnO4, KClO3,

K2CrO4.

Muối có tính axit hay bazơ, khi thay đổi nồng độ thì độ pH thay đổi

làm ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn kim loại.

Tốc độ ăn mòn kim loại còn phụ thuộc vào dạng ion, nồng độ của nó

trong dung dịch. 10.2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hƣởng nhiều đến tốc độ ăn mòn. Đa số trƣờng hợp khi

nhiệt độ chất điện ly tăng thì tốc độ ăn mòn tăng. Nếu quá trình ăn mòn với

chất khử phân cực hydro, khi tăng nhiệt độ thì tốc độ ăn mòn tăng (do giảm

thế hydro). Nếu quá trình ăn mòn với chất khử phân cực oxi, khi tăng nhiệt độ

thì tốc độ ăn mòn tăng (giảm quá thế của ion hoá oxi), tuy nhiên trong 1 số

trƣờng hợp thì tốc độ ăn mòn giảm (do giảm độ hoà tan oxi, sản phẩm ăn mòn

có tính chất bảo vệ).



60

10.2.4. Ảnh hƣởng tốc độ chuyển động của dung dịch

Nhiều thiết bị làm việc trong môi trƣờng chất điện ly chuyển động nhƣ:

bơm, quạt, đƣờng ống…. khi tăng tốc độ chuyển động của chất điện ly thì

tăng tốc độ ăn mòn do:

Tăng tốc độ khuếch tán oxi vào nƣớc dẫn đến tăng tốc độ ăn mòn

khử phân cực oxi.

Làm giảm trị số phân cực nồng độ, làm tăng tốc độ ăn mòn.

Lƣu ý: Khi tốc độ chuyển động của dung dịch điện ly đến 1 giá tri nào đó

thì tốc độ ăn mòn đạt mức cao nhất, sau đó khi tăng tốc độ của dung dịch thì

tốc độ ăn mòn không tăng, đôi khi lại giảm một ít.

10.2.5. Ảnh hƣởng của dòng điện rò

Ăn mòn do dòng điện rò là dạng ăn mòn do dòng điện một chiều đi vàocác thiết bị, đƣờng ống làm việc ngầm dƣới đất. Dòng điện rò đi qua thiết bị,

đƣờng ống và đƣợc chia thành 3 vùng khác nhau:

Vùng trung hoà là vùng không có dòng điện đi từ đất vào ống , vùng

này không bị ăn mòn.

Vùng catod là vùng dòng điện rò đi từ đất vào ống: vùng này không

gây ảnh hƣởng ăn mòn.

Vùng anod là vùng dòng điện từ ống đi qua đất, vùng này sẽ bị ăn

mòn.

11. Ăn mòn kim loại trong các môi trƣờng khác nhau

11.1. Ăn mòn kim loại trong khí quyển

Ăn mòn kim loại trong khí quyển là dạng ăn mòn phổ biến nhất. Khoảng

80% máy móc thiết bị bằng kim loại làm việc trong điều kiện khí quyển. Tốc độ

ăn mòn kim loại và hợp kim trong khí quyển không kém tốc độ ăn mòn trong

đất và trong nƣớc. Cho nên khoảng 50% lƣợng kim loại hao tổn do ăn mòn

trong khí quyển. Nƣớc ta là nƣớc có khí hậu nhiệt đới ẩm, độ ẩm tƣơng đốicao. Mặt khác gần biển nên trong khí quyển có hơi muối do gió đƣa từ biển

vào. Chính vì vậy kim loại bị ăn mòn khá mạnh, ngay cả những thiết bị máy

móc để ở kho.

11.1.1. Phân loại

Chia thành 3 loại:

Ăn mòn trong không khí ƣớt: là dạng ăn mòn xảy ra khi có lớp màng

nƣớc mỏng ngƣng tụ có thể nhìn thấy đƣợc bao phủ trên bề mặt

kim loại, khi độ ẩm có độ tƣơng đối của không khí gần 100%. Dạng



61

ăn mòn này thƣờng gặp khi trời mƣa hay nƣớc trực tiếp bắn trên bề

mặt kim loại.

Ăn mòn trong không khí ẩm: là dạng ăn mòn phổ biến nhất. Dạng ăn

mòn này xảy ra khi có 1 màng nƣớc mỏng không nhìn thấy, bao phủ

trên mặt kim loại. Lớp màng nƣớc mỏng tạo thành là do ngƣng tụ

mao quản, ngƣng tụ hấp phụ hay ngƣng tụ hoá học.

Ăn mòn trong không khí khô: là dạng ăn mòn khi hoàn toàn không

có màng ẩm trên bề mặt kim loại.

11.1.2. Cơ chế ăn mòn trong khí quyển

Cơ chế ăn mòn trong khí quyển khô: là dạng ăn mòn hóa học đơn thuần,

cơ chế ăn mòn giống nhƣ cơ chế ăn mòn hoá học , nhƣng ở nhiệt độ thấp nên

tốc độ ăn mòn rất nhỏ. Chiều dày cuả lớp màng oxít phát triển nhanh trongnhững giây phúc đầu tiên, sau đó chậm lại đến một lúc nào đó thì chiều dày

cuả màng không thay đổi.

Cơ chế ăn mòn trong khí quyển ƣớt giống cơ chế ăn mòn trong chất điện

giải. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào môi trƣờng khí quyển. Nếu khí quyển sạch

(ít bụi và tạp chất khí) thì tốc độ ăn mòn thấp, nếu khí quyển có nhiều bụi và

tạp chất khí (S02, C02, NH3 …) thì tốc độ ăn mòn lớn. Ngoài ra ăn mòn trong

không khí ƣớt còn có đặc điểm riêng:

Do lớp màng ẩm trên bề mặt kim loại rất mỏng do đó oxi khuếch tánqua lớp màng nƣớc mỏng này đến bề mặt kim loại dễ so với kim loại

nhúng vào dung dịch chất điện giải.

Do có quá trình bay hơi nƣớc của lớp màng ẩm trên bề mặt kim loại

nên dẫn đến sự đảo trộn của lớp màng ẩm nhờ dòng đối lƣu của nó.

Làm oxi từ không khí dễ dàng xâm nhập vào bề mặt kim loại.

Cơ chế ăn mòn trong khí quyển ẩm: là dạng ăn mòn thƣờng gặp nhất.

11.1.3. Đặc điểm quá trình ăn mòn kim loại trong khí quyển

Là dạng ăn mòn điện hóa xảy ra ở lớp màng dung dịch điện ly rất mỏng

trên bề mặt kim loại, có hòa tan các chất khí trong môi trƣờng ( CO 2, SO2, Cl2,

NH3, NO2…) hoặc do lớp sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại đƣợc lớp

nƣớc ngƣng tụ làm ẩm trở thành màng điện ly.

Phản ứng điện hoá:

Anot: Me – ne + mH2O Me+n . mH2O.

Catot: O2 + 4H2O + 4e 4OH-.



62

Do phản ứng điện hoá xảy ra trong môi trƣơng lỏng điện ly, do đó cần

phải có hơi nƣớc ngƣng tụ. Hơi nƣớc trong khí quyển ngƣng tụ lên bề mặt

kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong khí quyển.

Độ ẩm tƣơng đối của khí quyển.

Dạng cấu trúc bề mặt kim loại, trạng thái bề mặt kim loại.

Sự ngƣng tụ thành giọt của hơi nƣớc trong không khí xảy ra khi độ ẩm

tƣơng đối của nó đạt tới 100%. Khi độ ẩm tƣơng đối của không khí nhỏ hơn

100%, thì màng ẩm tạo trên bề mặt kim loại do 3 nguyên nhân sau:

11.1.3.1. Sự ngƣng tụ mao quản

Áp suất hơi bảo hoà trên bề mặt chất lỏng phụ thuộc vào độ cong của bề

mặt chất lỏng. Áp suất hơi bảo hoà trên bề mặt lồi lớn nhất, trên bề mặt lõmbé nhất.

p1 < p0 < p2

Trong đó:

p0: áp suất riêng phần của hơi nƣớc bảo hoà trên mặt phẳng

p1: áp suất riêng phần của hơi nƣớc bảo hoà trên mặt lõm trong khí

quyển.

p2: áp suất riêng phần của hơi nƣớc bảo hoà trên mặt lồi trong khí

quyển.

Hình 3.12: Ảnh hƣởng dạng bề mặt chất lỏng đến áp suất hơi bảo hoà.

a. mặt lõm, b. mặt phẳng, c. mặt lồi.

Vì số phân tử chất lỏng bao quanh một phân tử chất lỏng trên mặt lõm

ở trên mặt thoáng của nó nhiều hơn số phân tử bao quanh một phân tử chất

lỏng nằm trên mặt thoáng của mặt phẳng hoặc lồi. Do đó lực hút phân tử giữacác phân tử xung quanh với một phân tử nằm trên mặt thoáng lõm cũng lớn



63

hơn mặt lồi hoặc trong mặt phẳng. Lực hút phân tử của bề mặt lõm lớn hơn

trên mặt phẳng và trên mặt lồi có nghĩa: các phân tử chất lỏng trên bề mặt

thoáng bề mặt lõm khó chuyển từ pha lỏng vào pha khí. Ngƣợc lại, các phân

tử chất lỏng từ pha khí vào pha lỏng trên bề mặt lõm dễ dàng hơn so với mặt

phẳng và mặt lồi.

p1 < p0 < p2 : ngƣng tụ hơi nƣớc ở bề mặt lõm, không ngƣng tụ ỏ

bề mặt lồi.

p1 < p2 < p0: ngƣng tụ trên cả mặt lõm và mặt lồi.

p0 < p2: hơi nƣớc bay hơi trên bề mặt lồi.

p1 < p2: bề mặt lõm dể ngƣng tụ hơi nƣớc.

Khi đƣờng kính mao quản càng nhỏ thì bán kính cong r của mặt thoáng

chất lỏng trong mao quản càng nhỏ, thì áp suất hơi nƣớc bảo hoà trên bề mặtlõm càng nhỏ. Kết quả hơi nƣớc có thể ngƣng tụ trên bề mặt kim loại ở những

trung tâm ngƣng tụ mao quản, ngay khi hơi nƣớc trong không khí chƣa đạt

đến trạng thái bảo hoà (độ ẩm tƣơng đối của không khí nhỏ hơn 100%). Trong

thực tế bề mặt kim loại là không đồng nhất và luôn có những mao quản là do:

Khuyết tật hay vết nứt trên bề mặt kim loại.

Các hạt bụi bám trên bề mặt kim loại.

Các sản phẩm ăn mòn có nhiều lổ xốp hình thành các trung tâm

ngƣng tụ mao quản.

11.1.3.2. Ngƣng tụ hấp phụ

Sự liên kết giữa các phân tử hơi nƣớc trong không khí với bề mặt kim

loại dƣới tác dụng của lực hấp phụ. Khi độ ẩm tƣơng đối của không khí nhỏ

hơn 100 %. Bề mặt kim loại có thể hấp phụ một lớp hơi nƣớc dày từ vài lớp

phân tử đến vài chục lớp phân tử hơi nƣớc tuỳ theo độ ẩm tƣơng đối của

không khí và trạng thái bề mặt kim loại. Nhiều tác giả cho rằng khi độ ẩm

tƣơng đối tăng thì chiều dày của màng nƣớc càng tăng. Ví dụ: Trên bề mặt sắt, khi độ ẩm tƣơng đối là 55 % thì chiều dày lớp hấp

phụ là 15 lớp phân tử nƣớc, khi độ ẩm tƣơng đối gần 100 % thì chiều dày của

lớp hấp phụ là 92 lớp phân tử nƣớc.

11.1.3.3. Ngƣng tụ hoá học

Chính là lớp sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại liên kết với các phần

tử hơi nƣớc đã hấp phụ trên bề mặt kim loại tạo thành các hợp chất hydrat.

Quá trình ngƣng tụ hóa học hoà tan sản phẩm ăn mòn, tạo thành lớp dung



64

dịch điện ly trên mặt kim loại để trong không khí gây nên ăn mòn điện hoá của

kim loại trong không khí ẩm.

11.1.4. Động học quá trình ăn mòn dƣới lớp ẩm hấp phụ

11.1.4.1. Quá trình anod

Là quá trình hòa tan kim loại.

Me – ne M+n

Do lớp màng nƣớc mỏng, oxi dể dàng khuếch tán vào màng dẩn đến dễ

xảy ra phân cực nồng độ và gây thụ động. Tốc độ hòa tan kim loại dƣới lớp

hấp phụ ẩm phụ thuộc chính vào động học sự xuất hiện hay phá huỷ phức

chất thụ động. Quá trình hình thành và phá huỷ phức chất thụ động nhƣ sau:

Me + H2O (MeOH)hp + e + H+

Xuất hiện phức (MeOH)hp kèm theo sự chuyển điện tử trong kim loại vàtăng độ dẫn điện của màng bề mặt kim loại. Khi độ ẩm nhỏ, trên bề mặt kim

loại nhiều lớp phân tử nƣớc và khó tạo thành ion hydrat hoá. Hợp chất hấp

phụ này bền ngăn cản không cho kim loại tiếp tục hoà tan. Khi độ ẩm tăng,

chiều dày lớp màng nƣớc hấp phụ tăng, phân tử nƣớc một phần bị ion hoá,

kết hợp với chất hấp phụ tạo thành ion hydrat hoá, phá huỷ phức thụ động

theo phản ứng:

(MeOH)hp + hpnOH 2H O Me (OH)n+1 + ne.

Sản phẩm ăn mòn, tích lũy và hình thành màng và ngăn cản quá trình ăn

mòn.

11.1.4.2. Quá trình catod

Quá trình ăn mòn trong khí quyển là quá trình ăn mòn khử phân cực oxi

và hydrô:

O2 + 2H2O + 4e = 4OH-

2H+ + 2e = H2

Trong đó quá trình ăn mòn khử phân cực oxi là chủ yếu vì: Tính axit của lớp màng điện ly trên bề mặt kim loại để trong không

khí rất yếu, hoạt độ ion H+ trong dung dịch đó rất nhỏ.

Do màng chất lỏng mỏng nên khuếch tán oxi vào bề mặt kim loại rất

dễ nên quá trình khử ở catot xảy ra thuận lợi hơn. Ngoài quá trình

ăn mòn khử phân cực hydrô và oxi, còn có quá trình khử phân cực

catot bổ sung khác nữa, nếu trong không khí có các thành phần khí

hoà tan trong lớp màng ẩm có tác dụng khử.



65

Thí dụ: nếu trong không khí có chứa khí SO2 thì khi hoà tan vào màng

ẩm sẽ tạo ra H2SO3.

SO2 + H2O H2SO3.

Chất này, một mặt phá hủy màng thụ động trên anot làm cho quá trình

anot xảy ra thuận lợi hơn, mặt khác nó là chất khử phân cực catot.

2HSO3- + 2H+ + 2e = S2O4

2- + 2H2O.

11.1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn trong khí quyển

11.1.5.1. Độ ẩm của khí quyển

Độ ẩm của không khí là yếu tố quan trọng nhất, quyết định tốc độ ăn

mòn. Không khí ẩm sạch ở độ ẩm tƣơng đối gần bằng 100 % sẽ tác dụng rất

yếu lên sắt và đồng. Tốc độ ăn mòn không đáng kể. Ăn mòn của sắt tăng

tuyến tính khi độ ẩm của không khí tăng lên. Nhƣng khi thêm vào không khímột lƣợng 0,01 % SO2, tốc độ ăn mòn tăng gần 100 lần, ở độ ẩm tƣơng đối

gần 75 %.

Ở các độ ẩm tƣơng đối nhỏ, chỉ có sự hấp phụ ẩm không thể tạo thành

màng trên bề mặt kim loại, các sản phẩm ăn mòn có cấu trúc gel, trong đó

nƣớc liên kết với cấu trúc gel mà không nằm ở trạng thái tự do. Các sản phẩm

ăn mòn và nƣớc ở trong các mao quản đều nằm ở trạng thái nén tƣơng hố.

Bán kính cong của bề mặt nƣớc có giá trị nhỏ nhất. Ở giá trị có độ ẩm tƣơng

đối cao, các mao quản bắt đầu đƣợc lấp đầy nƣớc, trạng thái nén bị giảm vànƣớc tự do lọt vào bề mặt các sản phẩm ăn mòn tới bề mặt kim loại. Để quá

trình ăn mòn xảy ra với tốc độ rõ rệt, màng ẩm tạo thành phải đạt tới chiều dày

cực tiểu nào đó.

11.1.5.2. Ảnh hƣởng của thành phần khí quyển

Trong khí quyển bao giờ cũng chứa những khí gây tác hại đến kim loại.

Đặc biệt là khí quyển ở các khu vực công nghiệp, thành phần của nó có chứa

những khí có hoạt tính ăn mòn cao nhƣ: CO2, SO2, SO3, H2S, NH3, HCl, hơi

NaCl… các khí này hoà tan trong lớp màng ẩm nằm trên bề mặt kim loại, làm

tăng độ dẫn điện của màng, tăng tính hút ẩm của sản phẩm ăn mòn, có thể

đóng vai trò là chất khử phân cực catod, chất khử thụ động… Trong đó khí

SO2, NaCl (hơi) là dạng chất bẩn bất lợi nhất. Sự tác dụng của SO2 trong khí

quyển lên kim loại có các cơ chế sau:

2SO2 + O2 2SO3.

SO3 hòa tan trong nƣớc thành H2SO4.

SO3 + H2O = H2SO4. Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2.



66

Hay SO2 hấp phụ vào màng nƣớc tăng độ dẫn điện của màng, tăng tốc

độ ăn mòn.

Theo cơ chế Borton:

2Fe + 2H2SO3 = FeS + FeSO4 + H2O.

2Fe + 2SO2 + O2 = 2FeS2O3.

FeS + 2O2 = FeSO4.

2FeS2O3 + O2 = 2FeSO4 + 2S.

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O.

Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 3H2SO4.

Fe(OH)3 Fe2O3.H2O.

Sikor đề nghị theo cơ chế sau:

Hấp phụ khí SO2 trên bề mặt sắt. Phản ứng giữa SO2 và Fe khi có oxi và nƣớc.

Fe + SO2 + O2 FeSO4.

Tạo thành rỉ sắt từ muối FeSO4.

4FeSO4 + O2 + 6H2O 4FeOOH + 4H2SO4.

4H2SO4 + 4Fe + 2O2 4FeSO4 + 4H2O.

Có nhiều ý kiến cho rằng SO2 xem nhƣ chất khử phân cực catot.

2HSO3- + 2H+ + 2e S2O4

-2 + 2H2O

S2O4-2 + 2H+ + 2e S2O3-2 + 2H2O

Một vài trƣờng hợp có khả năng khử SO2 đến S:

H2SO3 + 4H+ + 4e 3H2O + S.

11.1.5.3. Ảnh hƣởng của tạp chất cơ học

Ngoài tạp chất khí, các hạt bụi rắn từ khí quyển bám lên bề mặt kim loại,

cũng ảnh hƣởng lớn đến quá trình ăn mòn. Những hạt bụi rắn bám vào kim

loại đôi khi bản thân nó không gây ăn mòn, nhƣng có thể là trung tâm ngƣng

tụ mao quản hay có thể hấp phụ các khí làm tăng quá trình ăn mòn. Một sốtạp chất cơ học khác nhƣ bụi than, bụi kim loại cũng có khả năng đóng vai trò

catot trong ăn mòn điện hóa.

11.1.5.4. Ảnh hƣởng của sản phẩm ăn mòn

Sản phẩm ăn mòn có thể ngăn cản làm giảm quá trình ăn mòn, nhƣng

cũng có thể là trung tâm ngƣng tụ ẩm làm tăng quá trình ăn mòn.

Thí dụ: tốc độ sắt ăn mòn trong không khí ẩm ở giai đoạn đầu lớn, khi chiều

dày màng khá lớn thì nó mới có tác dụng bảo vệ. Quá tr ình đó đƣợc giải thích

nhƣ sau:



67

Ban đầu, sắt bị ăn mòn tạo thành Fe(OH)2, sau đó bị oxi hoá tạo

thành Fe(OH)3.

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 .

Fe(OH)3 ít hoà tan trong nƣớc, bao phủ trên bề mặt kim loại ở dạng

xốp, nên oxi tiếp tục khuếch tán qua màng.

Sau một thời gian lớp màng dày lên, gỉ sắt có tác dụng bảo vệ thì

cấu tạo lớp màng ở dạng mFe(OH)2.nFe(OH)3.qH2O.

11.1.6. Các phƣơng pháp bảo vệ

Để chống ăn mòn kim loại trong khí quyển, ngƣời ta thƣờng dùng các

phƣơng pháp sau:

Dùng các kim loại dễ bị thụ động (Cr, Al, Ti, Ni…) để chế tạo các

thép hợp kim dễ thụ động hóa, tạo thành màng thụ động bền trongđiều kiện khí quyển, trong một thời gian dài.

Giảm độ dẫn điện của lớp màng ẩm trên bề mặt kim loại bằng cách

giảm hàm lƣợng khí tạp, giảm hàm lƣợng bụi, muối trong khí quyển

ở gần khu cần bảo vệ kim loại.

Giảm độ ẩm của môi trƣờng và giảm khả năng ngƣng tụ ẩm bằng

cách sấy nóng không khí vùng bảo quản kim loại (kho chứa), làm

sạch bề mặt, đánh bóng bề mặt kim loại làm giảm khả năng ngƣng

tụ mao quản.

Cách ly với môi trƣờng bằng các lớp phủ kim loại (mạ điện, tráng

kẽm, thiếc…) lớp bao phủ phi kim (sơn, vữa…) hoặc bao phủ bằng

các hợp chất hoá học (phot phat hoá kim loại, oxi hoá…)

Sử dụng các chất làm chậm ăn mòn.

Các phƣơng pháp bảo vệ này sẽ đƣợc nói kỹ ở phần sau.

11.2. Ăn mòn kim loại trong đất:

Là quá trình ăn mòn kim loại ngầm dƣới đất chẳng hạn nhƣ ống dẫn, dâycáp công trình ngầm dƣới đất…

11.2.1. Tính chất của môi trƣờng đất:

Đất là môi trƣờng điện ly, muối khoáng trong đất ở dạng hoà tan trong

nƣớc, là môi trƣờng điện ly của đất. Cho nên ăn mòn trong đất cũng giống

nhƣ ăn mòn trong chất điện giải. Nhƣng ăn mòn điện hoá trong đất có liên

quan đến cấu tạo lớp đất.

Đất là một môi trƣờng không đồng nhất, tính chất cơ lý và hoạt tính ăn

mòn của đất thay đổi trong một phạm vi rất rộng tùy theo thành phần cấu tạo



68

cấu trúc và độ xốp của nó. Lớp đất ở bề mặt thƣờng thay đổi tính chất hoá lý

của nó nhiều hơn so với lớp đất ở sâu. Dƣới lớp đất sâu hầu nhƣ không có sự

khuấy động cơ học và đối lƣu của các thành phần rắn trong đất. Sự chuyển

động có thể có do sự chuyển động của pha khí, đối lƣu trong mao quản, do

lớp đất xốp tạo nên hay do chuyển động của nƣớc ngầm.

11.2.2. Cơ cấu ăn mòn trong đất:

Quá trình ăn mòn kim loại trong đất là quá trình ăn mòn điện hoá, mà chủ

yếu là ăn mòn với sự khử phân cực oxi.

11.2.2.1. Quá trình anot

Là quá trình hoà tan kim loại.

Me - ne + mH2O Me+n.mH2O.

Nhƣng quá trình anot xảy ra rất chậm do các nguyên nhân sau: Quá thế ion kim loại.

Phân cực nồng độ của điện cực.

Màng sản phẩm ăn mòn không tan bám trên bề mặt kim loại.

Xuất hiện sự thụ động anot.

Không đủ độ ẩm để thực hiện quá trình anot.

11.2.2.2. Quá trình catod

Chủ yếu ăn mòn kim loại trong đất với chất khử phân cực là oxi. Trừ

trƣờng hợp đất rất chua thì có quá trình khử phân cực hydrô. Đa số đất thiên

nhiên ẩm thì khống chế quá trình catot chủ yếu là sự vận chuyển O2 đến bề

mặt catot. Sự vận chuyển oxi từ không khí đến bề mặt kim loại đặt trong đất

nhờ 3 nguyên nhân sau:

Do sự thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ của không khí trên mặt đất.

Oxi có thể truyền qua lớp đất xốp khuếch tán đều bề mặt kim loại

hoặc hoà tan trong nƣớc mƣa rồi thẩm thấu đều bề mặt kim loại.

Do quá trình chuyển động đối lƣu của không khí trong lớp đất xốphay do đối lƣu của pha lỏng, vận chuyển đến bề mặt kim loại.

Do khuếch tán oxi vào các mao quản.

11.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn trong đất

11.2.3.1. Ảnh hƣởng của điện trở đất

Vì ăn mòn kim loại trong đất là do hoạt động của vi pin, cho nên điện trở

của đất ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn. Vì vậy, theo nhiều tài liệu đánh giá tốc

độ ăn mòn kim loại trong đất phụ thuộc vào điện trở của đất nhƣ sau:



69

Điện Trở Riêng

Của Đất ( .m ) < 5 5 – 10 10 – 20 20 -100 > 100

Hoạt tính ăn

mòn của đất

Đặt biệt

cao Cao

Tƣơng

đối cao

Trung

bình Thấp

11.2.3.2. Ảnh hƣởng của độ ẩm đất

Khi tăng độ ẩm của đất, độ dẫn điện của đất tăng, tốc độ ăn mòn sẽ tăng

nhƣng đến một lúc nào đó tốc độ ăn mòn giảm. Nguyên nhân là do khi độ ẩm

lớn, thì nƣớc chiếm hầu hết các mao quản trong đất, làm cho sự khuếch tán

oxi đến bề mặt kim loại khó khăn hơn.

11.2.3.3. Ảnh hƣởng của độ pH và thành phần muối trong đất Thông thƣờng độ pH của đất từ 6 7,5 đôi khi có tính kiềm yếu (pH

=7,5 9,5). Độ pH càng nhỏ thì đất càng chua, đất có tính axit càng lớn làm

kim loại dễ hoà tan đồng thời xảy ra quá trình ăn mòn khử phân cực hydrô.

Trong đất có chứa nhiều loại muối khác nhau, chủ yếu là các loại sau:

Loại anion: Cl-, SO42- , HCO3

-, NO3-, NO2

-…

Loại cation: Na+, Ca+2, Mg+2, k+, Fe+2, Mn+2, NH4+, H+…

Trong đó ion Cl- và SO4-2 ảnh hƣởng nhiều đến tốc độ ăn mòn kim loại

trong đất, do vì ion này có thể phá huỷ trạng thái thụ động trên anod, do đólàm tăng tốc độ ăn mòn.

11.2.4. Các phƣơng pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn trong đất

Để bảo vệ các kết cấu, các ống dẫn kim loại, công trình ngầm trong đất,

thông thƣờng sử dụng các phƣơng pháp sau:

Lớp phủ bảo vệ: lớp bao phủ này có thể dùng lớp bao phủ bằng kim

loại hoặc vật liệu phi kim.

Lớp bao phủ bằng kim loại chủ yếu là tráng kẽm hay bọc chì. Lớp phủ phi kim loại: bao phủ bề ngoài bằng chất dẻo tổng hợp

hoặc bằng vửa trát, bi tum hoặc bằng bê tông xi măng.

Bảo vệ điện hoá: chủ yếu là bảo vệ catot và bảo vệ bằng protectơ.

11.3. Ăn mòn kim loại trong nƣớc thiên nhiên

11.3.1. Đặc tính cuả nƣớc thiên nhiên

Nƣớc thiên nhiên nhƣ biển, sông, hồ là những dung dịch điện giải vì

trong nƣớc có nhiều muối hoà tan.



70

Nƣớc biển: có nhiều muối hoà tan, mà chủ yếu là chứa muối clorua

(NaCl, MgCl2…) và các muối sunfat (MgSO4, CaSO4…). Các muối

này phân ly thành các ion Cl-, SO42-, HCO3

-, Br -, Na+, K+,

Mg2+,Ca2+…, ngoài ra nƣớc biển còn chứa hầu hết các nguyên tố

trong bảng tuần hoàn. Độ dẫn điện riêng của nƣớc biển tƣơng đối

cao, hàm lƣợng Cl- lớn, do đó quá trình ăn mòn kim loại trong nƣớc

biển xảy ra rất mạnh.

Nƣớc sông: các loại nƣớc sông đều chứa muối khoáng, độ pH =

7,2 7,6. Thành phần chủ yếu là muối clorua và muối sunfat của các

ion Ca+2, Mg+2.

Nƣớc thải của các nghành công nghiệp nhƣ: phân bón, sản xuất

axit, xút, giấy… là những dung dịch điện giải mạnh, có tính ăn mònkim loại rất cao, dễ phá huỷ các công trình thủy lợi, thủy điện.

11.3.2. Các cơ chế ăn mòn kim loại trong nƣớc tự nhiên

Là quá trình ăn mòn điện hoá, do đó tuân theo các quy luật của mòn điện

hoá.

Quá trình anod: là quá trình hòa tan kim loại. Quá trình này xảy ra

rất thuận lợi đặc biệt là môi trƣờng nƣớc biển (do có ion Cl-).

Quá trình catod: là quá trình ăn mòn khử cực oxi.

O2 + 2H2O + 4e 4OH-

Oxi chuyển đến bề mặt catod chủ yếu là do:

Oxi từ trong khí quyển khuếch tán vào trong nƣớc biển, chuyển

động đối lƣu mang oxi đến bề mặt kim loại.

Do các dòng chảy mang oxi từ nơi khác đến.

Do vi sinh vật.

11.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình ăn mòn

Tốc độ chuyển động của nƣớc và nhiệt độ: Tăng tốc độ chuyển động của nƣớc thì làm tăng tốc độ hoà tan của

oxi trong nƣớc, dẫn đến tăng quá trình ăn mòn khử phân cực oxi.

Khi tốc độ chuyển động của nƣớc khá lớn thì kim loại bị phá hủy do

tác dụng ăn mòn điện hóa và hiện tƣợng bào mòn cơ học. Hiện

tƣợng này gọi là hiện tƣợng khí xâm thực.

Nhiệt độ của môi trƣờng cũng ảnh hƣởng đến quá trình ăn mòn, khi

nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn cũng tăng.

Tác dụng đồng thời của ứng suất cơ học và ăn mòn điện hoá:



71

Các kết cấu kim loại làm việc trong nƣớc, ngoài tác dụng của áp lực

nƣớc, nó còn có thể chịu tải trọng động, dẫn đến kim loại dễ bị phá

huỷ do ăn mòn.

Hình dạng và cấu trúc của kết cấu kim loại.

11.3.4. Các phƣơng pháp bảo vệ ăn mòn kim loại trong nƣớc thiên nhiên

Chế tạo các thép hợp kim bền với môi trƣờng nƣớc có chứa Cl - nhƣ

Mo, Ti, Ta, Nb…

Bao phủ kim loại hoặc phi kim: bao phủ kim loại thƣờng dùng là

tráng kẽm, các bao phủ bằng phi kim thƣờng dùng là sơn.

Bảo vệ bằng protectơ, bằng dòng điện bên ngoài.

12. Ăn mòn của một số kim loại và hợp kim trong các môi trƣờng khác

nhau12.1. Kim loại đen và hợp kim

12.1.1. Thép cacbon thấp

Phần lớn kim loại này đƣợc dùng vào mục đích xây dựng. Các kim loại

này tuy rẻ, bền, dễ tạo hình nhƣng nó không bền với ăn mòn trong không khí,

nƣớc thiên nhiên và trong đất. Do đó cần phải bảo vệ nó.

Ăn mòn thép trong khí quyển: Trong môi trƣờng không khí ẩm ở nhiệt độ

phòng, một màng ẩm đƣợc tạo thành trên bề mặt thép, ở đó các phản ứng ăn

mòn có thể xảy ra. Những sản phẩm của phản ứng là FeOH+ và OH- sẽ tácdụng với O2 và H2O tạo thành hydroxit, oxyt sắt (II) và oxyt sắt (III). Tập hợp

sản phẩm này gọi là gỉ. Quá trình ăn mòn khí quyển bị khống chế bởi phản

ứng anot và catot:

Phản ứng anot:

Fe + H2O - 2e FeOH+ + H+

FeOH+ + H2O - e FeOOH + 2H+

Phản ứng catod: 3FeOOH + e Fe3O4 + H2O + OH-

4Fe3O4 + O2 + 6H2O 12FeOOH



72

Hình 3.13: Quá trình ăn mòn sắt trong môi trƣờng khí quyển ẩm.

Tốc độ của phản ứng ăn mòn đƣợc xác định bởi cấu trúc của lớp gỉ. Cấu

trúc của lớp gỉ này xốp và quá trình ăn mòn tiếp tục xảy ra, khi lơp màng gỉ

xốp này dày thì tốc độ ăn mòn giảm dần.

Sự có mặt của những cấu tử muối trong không khí làm tăng sự ngƣng tụ

ẩm và tăng độ dẫn điện cho màng ẩm, làm tăng nhanh quá trình ăn mòn. Bụi,

khí SO2 và các khí ăn mòn khác ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình ăn mòn. Tốc

độ ăn mòn của thép xây dựng vào khoảng 0,01 0,1 mm/năm tùy theo môi

trƣờng khí quyển và thành phần thép.

Ăn mòn thép trong nƣớc: Quá trình ăn mòn cuả thép trong nƣớc tự nhiêngần trung tính (nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc ao hồ…) chủ yếu là quá trình ăn

mòn khử phân cực oxy ở điện cực catot.

2H2O + O2 + 4e 4OH-.

Do đó tốc độ ăn mòn của thép phụ thuộc vào độ hoà tan của oxy trong

nƣớc và tốc độ khuyếch tán của nó đến bề mặt thép. Nồng độ oxy của dung

dịch nƣớc tiếp xúc với khí trời phụ thuộc chủ yếu vào hàm lƣợng muối và

nhiệt độ. Tăng hàm lƣợng muối và nhiệt độ đều làm giảm nồng độ oxy.

Trong môi trƣờng axit mạnh thì quá trình ăn mòn của thép là quá trình ănmòn khử phân cực oxy và khử phân cực hydro:

O2 + 4H+ + 4e 2H2O.

2H+ + 2e H2.

Ở giá trị pH thấp phản ứng khử phân cực hydro xảy ra rất nhanh. Trong

môi trƣờng nhƣ vậy thép không phải là hợp kim, không đƣợc bảo vệ thì không

thể sử dụng đƣợc.

Trong dung dịch axit yếu, nồng độ ion hydro thƣờng thấp và tốc độ phản

ứng khử phân cực catod đƣợc quyết định bởi tốc độ khuyếch tán của ion H+



73

(H3O+) đến bề mặt kim loại. Mặc dù hệ số khuyếch tán của H3O

+ lớn hơn

khoảng 4 lần hệ số khuyếch tán của các ion khác và của O 2, thì cũng không

giải thích đƣợc về tốc độ ăn mòn trong thực tế. Nguyên nhân của hiện tƣợng

này là do các phản ứng catot khác có thể xảy ra.

Thí dụ: Trong môi trƣờng nƣớc có chứa hàm lƣợng CO2 cao. Trong

trƣờng hợp này phản ứng:

2CO2 + 2H2O + 2e H2 + 2HCO3- .

Có thể dẩn đến tăng ăn mòn.

Ăn mòn thép trong đất: Quá trình ăn mòn thép trong đất chủ yếu là quá

trình ăn mòn khử phân cực oxy:

2H2O + O2 + 4e 4OH

Ngoài ra chúng ta thấy trong đất yếm khí (nồng độ oxy rất thấp) còn cómột dạng ăn mòn gây ra bởi các vi khuẩn có khả năng khử ion sunphat. Các

vi khuẩn sinh ra sulfua hydro (H2S) và chất này tham gia vào quá trình ăn mòn

theo phản ứng:

Fe + H2S FeS + H2

12.1.2. Thép hợp kim thấp

Khi cho thêm khoảng 1% các nguyên tố hợp kim vào thép không hợp

kim, thì tốc độ ăn mòn cuả thép đó giảm một cách đáng kể. Độ bền ăn mòn

khí quyển có thể đƣợc cải thiện do tạo hợp kim thép với lƣợng nhỏ đồng,niken, crôm, silic…hoặc tập hợp các nguyên tố đó. Với những thép hợp kim

thấp sẽ có sự tạo thành lớp Fe3O4 sít chặt trên bề mặt thép và làm giảm quá

trình gỉ một cách đáng kể. Lớp bảo vệ này đƣợc tạo thành khi để thép trong

thời tiết thay đổi khô và mƣa của khí quyển nông thôn và công nghiệp. Khí

hậu ven biển không tốt cho sự tạo thành lớp bảo vệ trên, vì sự có mặt của ion

Cl-.

12.1.3. Gang

Là hợp kim Fe – C và có các cấu tử khác nhƣ Si, Mn, P, S…dùng để chế

tạo các bộ phận có hình thù phức tạp. Tính chất cơ học của gang không tốt

bằng thép. Chủ yếu là gang xám có hàm lƣợng C từ 2 4% và Si từ 1 3%.

Cacbon ở dạng liên kết cacbua sắt (xêmentic) và ở dạng tự do (graphit phiến

hay hạt). Ở gang đôi khi có một dạng ăn mòn sẽ hoà tan sắt và hỗn hợp của

cacbua, graphit còn gỉ đƣợc giữ lại trên bề mặt. Hiện tƣợng này gọi là sự ăn

mòn graphit hoá hay là sự xốp hoá.

12.1.4. Thép không gỉ



74

Thép không gỉ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất là trong công nghiệp hoá học

vì độ bền của nó rất cao. Nhóm thép không gỉ bao gồm khoảng 50 loại khá c

nhau và có thể chia thành 5 nhóm khác nhau. Mỗi nhóm đều gồm nhiều hợp

kim có thành phần hơi khác nhau và có liên quan về tính chất: ăn mòn, từ tính,

lý và cơ tính.

Thép không gỉ ferit: Thép này chứa 16 30% Cr và hàm lƣợng

cacbon thấp, là loại sắt từ. Sự kết tủa cacbua Crom có thể làm giảm

độ bền chống ăn mòn. Thép không gỉ ferit ít nhạy hoặc không nhạy

với ăn mòn nứt do ứng lực. Ở nhiệt độ cao nó tỏ ra có khuynh

hƣớng phát triển hạt. Điều này làm cho quá trình hàn trở nên khó

khăn. Loại thép này thƣờng đƣợc dùng làm chân vịt của tàu thủy,

các thiết bị trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm. Thép không gỉ martensít: Thép này chứa 13 17% Cr và nhiều

cacbon hơn loại ferit. Chúng có thể đƣợc làm cho cứng bằng cách

chuyển hoá thành dạng martensít, sau đó ram tiếp sẽ tăng đƣợc tính

dẽo. Loại thép này là loại sắt từ rất khó hàn và độ bền ăn mòn kém

hơn loại trƣớc. Chúng thƣờng đƣợc dùng làm những bộ phận bền

với ăn mòn và mài mòn nhƣ là trục bơm, pittông của hệ thống thủy

lực, van.

Thép không gỉ ostenit: Thép này chứa 16 25% Cr và 8 20% Ni,C<0,008%. Thêm Mo sẽ làm tăng đƣợc độ bền của lớp oxyt thụ

động. Tất cả các thép trong nhóm này có cấu trúc ostenit bền hoặc

giả bền tại nhiệt độ thƣờng, nghiã là chúng không phải là sắt từ.

Thép này ất dễ hàn nhƣng cần phải loại trừ kết tủa cacbua Crôm.

Chúng nhạy với ăn mòn nứt trong môi trƣờng có ion Cl - . Loại thép

này đƣợc dùng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm và

dƣợc phẩm.

Thép không gỉ ostenit – ferit: Thép này có hàm lƣợng Crôm cao

(26%) và hàm lƣợng Niken thấp (4 6%) so với thép ostenit nên đã

dẫn tới cấu trúc kép (hỗn hợp ferit và ostenit). Loại thép này kết hợp

vài tính chất tốt cuta cả hai loại.

Thép không gỉ cứng: Loại thép này có cùng thành phần nhƣ thép

ostenit, song cho thêm một lƣợng tƣơng đối nhỏ Al hoặc Cu nên có

kết tủa rất mịn đƣợc tạo thành trong quá trình xử lý nhiệt đặc biệt.

Bằng cách xử lý này độ bền cơ học tăng lên mà không làm ảnhhƣởng gì đến độ bền ăn mòn.



75

12.2. Kim loại màu và hợp kim

12.2.1. Đồng và hợp kim của đồng

Đồng và hợp kim của đồng đƣợc dùng rất nhiều trong kỹ thuật vì độ bền

hoá rất cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Thƣờng đƣợc dùng làm dây dẫn điện,

các thiết bị trao đổi nhiệt, ngƣng tụ, tinh luyện…để thay thế thép không gỉ, tuy

nhiên giá của nó cao hơn nhiều so với thép hợp kim và thép không gỉ.

12.2.1.1. Đồng

Có điện thế dƣơng hơn so với điện thế cân bằng của điện cực hydro

nhƣng âm hơn so với điện thế cân bằng của điện cực oxy. Do đó đồng không

bị ăn mòn trong axit (ăn mòn với sự khử phân cực hydrô), nhƣng bị ăn mòn

trong môi trƣờng oxy hoá (ăn mòn với sự khử phân cực oxy). Cho nên đồng

rất bền trong dung dịch nƣớc khi không có chất oxy hoá, nhƣng trong dungdịch có oxy hay chất oxy hoá thì đồng bị ăn mòn rất nhanh.

Trong không khí đồng hoàn toàn bền, vì trên bề mặt của nó đƣợc tạo

thành màng bảo vệ do sản phẩm CuCO3.Cu(OH)2 không tan. Nếu trong không

khí ẩm có SO2 thì đồng bị ăn mòn khá mạnh, vì sản phẩm ăn mòn có dạng

CuSO4.3Cu(OH)2 không có tính chất bảo vệ. Tốc độ ăn mòn của đồng trong

nƣớc phụ thuộc vào sự khuyếch tán oxy đến bề mặt kim loại.

Hình 3.14: Ăn mòn đồng trong dung dịch có (a) và không có (b) chất oxy hoá.

12.2.1.2. Hợp kim của đồng

Tính chất cơ học của đồng tăng một cách đáng kể khi cho thêm những

nguyên tố hợp kim nhƣ thiếc, kẽm, nhôm, niken để tạo thành dạng hợp kim.

Dạng hợp kim đồng phổ biến là đồng thanh và đồng thau.



76

Hình 3.15: Ăn mòn của hợp kim đồng trong môi trƣờng chất điện ly.

Đồng thanh: là hợp kim của đồng với thiếc. Hàm lƣợng thiếc trong

hợp kim là 13,8% ở dạng dung dịch rắn. Tăng hàm lƣợng thiếc cao

hơn sẽ xuất hiện pha mới. Đa số dùng loại đồng thanh có chứa

8 10% Sn, nếu thêm Pb thì chịu ma sát tốt hơn. Hợp kim Cu – Snbền ăn mòn tốt hơn so với đồng. Hợp kim này bền trong axit H2SO4

loãng, bền trong nhiều axit hữu cơ và dung dịch muối. Hợp kim này

không bền trong dung dịch oxy hoá cũng nhƣ dung dịch muối

amoniac.

Đồng thau: Là hợp kim của đồng với kẽm, đôi khi thêm một số

nguyên tố hợp kim nhƣ Ni, Al, Mn để tăng độ bền hoá. Hợp kim Cu

– Zn chỉ tạo thành dung dịch rắn đồng pha khi hàm lƣợng kẽm

không quá 39%. Nếu hàm lƣợng kẽm lớn hơn 39% thì hợp kim có

cấu tạo không đồng nhất gồm 2 pha và làm tăng tốc độ ăn mòn

của hợp kim đồng thau.

12.2.2. Nhôm và hợp kim của nhôm

12.2.2.1. Nhôm

Là nguyên tố khá hoạt động, điện thế điện cực tiêu chuẩn của nhôm E0 =

-1,66 v. Nhƣng nhôm khá bền trong một số môi trƣờng xâm thực. Độ bền của

nhôm chính là độ bền của màng oxyt nhôm dày sít bám trên bề mặt nhôm.Chiều dày lớp màng oxyt tăng thì tính chất bảo vệ cũng tăng. Màng oxyt nhôm

chỉ bền trong môi trƣờng không khí và nƣớc, trong môi trƣờng axit và kiềm thì

lớp màng này bị phá hủy.

12.2.2.2. Hợp kim nhôm

Có độ bền cơ học cao hơn và độ bền ăn mòn thấp hơn so với nhôm

nguyên chất cho nên các hợp kim của nhôm không nhiều. Hợp kim đƣợc dùng

rộng rãi là hợp kim Al – Cu (hợp kim đura), trong đó hàm lƣợng đồng chiếm từ



77

3,8 5,2%. Hợp kim nhôm bền trong nhiều muối và kim loại nóng chảy có

nhiệt độ thấp hơn nhôm.

13. Thực hành xác định tốc độ ăn mòn của kim loại

13.1. Xác định tốc độ ăn mòn của kim loại theo phƣơng pháp trọng

lƣợng và thể tích

13.1.1. Mục đích thực hành

Xác định tốc độ ăn mòn của kim loại thép theo 2 phƣơng pháp khác

nhau:

Phƣơng pháp khối lƣợng.

Phƣơng pháp thể tích.

So sánh kết quả thu đƣợc từ 2 phƣơng pháp trên.

13.1.2. Hoá chất dụng cụ NaOH

Na3PO4

Na2CO3

HCl 1N

Becher 250 ml : 6

Becher 500 ml : 3

Thép CT3 50x25x2 (mm)

Cân phân tích

Tủ sấy

Nhiệt kế

Bếp điện

Chậu thủy tinh

Giấy nhám (P = 400)

13.1.3. 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.

13.1.4. Qui trình

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). Rửa

sạch 2 mẫu bằng nƣớc, sau đó đem đi tẩy dầu mỡ bằng dung dịch kiềm ởnhiệt 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.

Rửa mẫu bằng nƣớc nóng, sau đó rửa vào nƣớc lạnh sạch và đem đi sấy khômẫu ( t0 < 110 0C). Cân mẫu 1 có khối lƣợng m01.



78

Cho mẫu 1 vào becher có chứa dung dịch axit HCl 1N (mẫu phải đƣợc

nhúng hoàn toàn trong dung dịch). Sau 2h lấy mẫu 1 ra, rửa sạch bằng nƣớc

lạnh, sấy khô và cân mẫu 1 có khối lƣợng m1.

Cho mẫu 2 vào dụng cụ thí nghiệm nhƣ hình vẽ:

Hình 3.16: Đo tốc độ ăn mòn theo phƣơng pháp thể tích.

1/ mẫu thí nghiệm, 2/ buret hay ống đo thể tích, 3/ dung dịch ăn mòn, 4/ phễu.

Đầu tiên phải cho dung dịch ăn mòn đầy ống buret, cho mẫu vào bên

trong (nhƣ hình vẽ). Khi thép bị ăn mòn có khí H2 thoát ra, mức dung dịch

trong ống buret dần dần hạ xuống. Cứ 10 phút đọc thể tích khí H2 thoát ra ở

ống buret. Từ thể tích khí H2 thoát ra ta suy ra độ tổn thất khối lƣợng mẫu và

có thể tính tốc độ ăn mòn của kim loại.

2H

2.Am V

n.22400 (g).

Trong đó:

m : khối lƣợng kim loại chuyển ra trong dung dịch trong khoảng

thời gian thử (g). A: khối lƣợng nguyên tử kim loại (g).

n : hoá trị ion kim loại.

2HV : thể tích khí H2 thoát ra trong khoảng thời gian thử (ml).

13.1.5. Kết quả thực hành

Xác định độ tổn thất khối lƣợng và tính tốc độ ăn mòn cho mẫu 1

Độ tổn thất khối lƣợng:

1 01 1m m m (g).



79

Tốc độ ăn mòn:

11

1

mK

S .t (g/m2.h).

Xác định độ tổn thất khối lƣợng và tính tốc độ ăn mòn cho mẫu 2. Tổn thất khối lƣợng mẫu 2:

22 H

2.Am V

n.22400 (g).

Tốc độ ăn mòn mẫu 2 ở thời gian 2h:

22

2

mK

S .t (g/m2.h).

Tính toán và vẽ đồ thị biểu thị tốc độ ăn mòn kim loại theo thời gian của

mẫu 2. Từ đó rút ra nhận xét gì.

Viết cơ chế ăn mòn kim loại của 2 mẫu thí nghiệm trên.

So sánh nhận xét kết quả ở 2 thí nghiệm 1 và 2.

13.2. Xác định tốc độ ăn ăn mòn kim loại theo phƣơng pháp điện hoá

13.2.1. Mục đích thí nghiệm

Đo cƣờng độ dòng điện ăn mòn của các cặp nguyên tố ăn mòn theo

thời gian.

Tính tốc độ ăn mòn và biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn vàthời gian ăn mòn

So sánh tốc độ ăn mòn của các cặp pin ăn mòn điện hoá.

13.2.2. Hoá chất dụng cụ

NaOH.

Na3PO4.

Na2CO3.

H2SO4 15%.

Becher 250 ml : 6.Becher 500 ml : 3.

Thép CT3 50x25x2 (mm).

Cân phân tích.

Tủ sấy.

Nhiệt kế.

Bếp điện.

Chậu thủy tinh.Giấy nhám (P = 400).

Hệ thống đo cƣờng độ dòng ăn mòn.

13.2.3. Các công việc chuẩn bị

Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm và hoá chất cần thiết.



13.2.4. Qui trìnha. Thí nghiệm 1



80

Lấy mẫu thép CT3 có kích thƣớc 50x25x2 (mm) đem gia công làm sạch gỉ

bằng cách chà sạch bằng giấy nhám mịn (P = 400). Rửa 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.

Hình 3.17: a) Sơ đồ đo cƣờng độ dòng ăn mòn cho cặp Fe - Zn.

1/ mẫu kim loại, 2/ điện kế, 3/ miliampe kế, 4/ cái chuyển mạch, 5/ nguồn một

chiều.

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.

Rửa mẫu bằng nƣớc nóng, sau đó rửa vào nƣớc lạnh sạch và đem đi sấy khô

mẫu ( t0 < 110 0C).

Lấy mẫu kẽm nguyên chất có kích thƣớc 50x25x2 mm, đem đi chà nhám

và làm sạch bề mặt. Rửa mẫu kẽm bằng cồn và đem đi sấy khô (t0 < 80 0C).

Nối mẫu thép và kẽm vào dụng cụ đo cƣờng độ dòng điện ăn mòn có

điện trở không nhƣ hình vẽ:

Trong sơ đồ trên, sự sụt thế của cặp nghiên cứu 1, của các điện trở của

dụng cụ và trên điện trở phụ (R) bị loại bỏ bằng cách đặt lên biến trở R 1, bằng

nhƣng ngƣợc dấu với thế của nguồn 5 (điều chỉnh biến trở sau cho khi đóng

cái chuyển mạch 4 thì kim điện kế 2 chỉ không). Sơ đồ này cho phép đo dòng

thực của cặp ăn mòn.



81

Cặp ăn mòn này đƣợc nhúng vào dung dịch HCl 1N. Cứ 5 phút ta đọc chỉ

số đo cƣờng độ dòng điện, sau 1,5h ta kết thúc thí nghiệm.

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.

b. Thí ngiệm 2

Lấy thanh đồng nguyên chất có kích thƣớc 50x25x2 mm đem gia công

làm sạch bề mặt. Đem thanh đồng tẩy gỉ làm sạch oxit trên bề mặt bằng dung

dịch axit H2SO4 loãng (18 20%) ở nhiệt độ 70 90 0C, thời gian 10 20 phút.

Rửa mẫu bằng cồn, đem đi sấy khô mẫu ( t0 < 80 0C).

Lấy mẫu kẽm nguyên chất có kích thƣớc 50x25x2 mm, đem đi chà nhám

và làm sạch bề mặt. Rữa mẫu kẽm bằng cồn và đem đi sấy khô (t0 < 80 0C).

Nối mẫu thép và kẽm vào dụng cụ đo cƣờng độ dòng điện ăn mòn cóđiện trở không nhƣ hình vẽ:

Hình 3.17: b) Sơ đồ đo cƣờng độ dòng ăn mòn cho cặp Cu - Zn.

Cặp ăn mòn này đƣợc nhúng vào dung dịch HCl 1N. Cứ 5 phút ta đọc chỉ

số đo cƣờng độ dòng điện, sau 1,5h ta kết thúc thí nghiệm. Lƣu ý: mẫu đồng 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.

13.2.5. Kết qủa thực hành

Xác định độ tổn thất khối lƣợng Zn và tính tốc độ ăn mòn Zn ở từng thời

gian đo khác nhau trong thí nghiệm 1.

Khối lƣợng kẽm bị hoà tan trong ăn mòn:

m

A.I .tm n.F (g).



82

Tốc độ ăn mòn kẽm:

mm

A A

m A.IK

S .t n.F.S (g/cm2.h)

Vẽ đồ thị biểu thị tốc độ ăn mòn kim loại Zn theo thời gian của cặp pin ănmòn Fe – Zn. Từ đó rút ra nhận xét gì.

Xác định độ tổn thất khối lƣợng Zn và tính tốc độ ăn mòn Zn ở từng thời

gian đo khác nhau trong thí nghiệm 2.

Khối lƣợng kẽm bị hoà tan trong ăn mòn:

m A.I .tm

n.F (g).

Tốc độ ăn mòn kẽm:

mm

A A

m A.IK

S .t n.F.S (g/cm2.h)

Vẽ đồ thị biểu thị tốc độ ăn mòn kim loại Zn theo thời gian của cặp pin ăn

mòn Cu – Zn, từ đó rút ra nhận xét .

Từ hai thí nghiệm trên, rút ra nhận xét gì về khối lƣợng kẽm bị hoà tan và

tốc độ ăn mòn kẽm, khi thay Fe bằng Cu trong hệ thống ăn mòn Zn.


14.1. Cho biết nguyên nhân và đặc điểm của quá trình ăn mòn điện hoá. 14.2. Nguyên nhân xuất hiện điện thế điện cực khi nhúng thanh kim loại vào

dung dịch chất điện ly.

14.3. Trình bày cơ chế ăn mòn điện hoá.

14.4. Hiện tƣợng phân cực anod, catot là gì. Nguyên nhân xuất hiện.

14.4. Đồng và thép non khi tiếp xúc với nhau, kim loại nào bị ăn mòn.

14.5. Trong quá trình ăn mòn kim loại, phản ứng khử catot thƣờng là phản

ứng khử phân cực gì.

14.6. Hiện tƣợng thụ động, khử thụ động là gì. Cho ví dụ.14.7. Hãy kể các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn điện hoá.

14.8. Ăn mòn trong khí quyển là dạng ăn mòn gì. Cơ chế xảy ra ăn mòn.

14.9. Hãy kể các yếu tố ảnh hƣởng và phƣơng pháp bảo vệ trong ăn mòn kim

loại.

14.10. Ăn mòn kim loại trong đất là dạng ăn mòn gì. Nêu phƣơng pháp hiệu

quả bảo vệ ăn mòn kim loại trong đất.

14.11. Hãy viết phản ứng quá trình ăn mòn sắt trong:

Môi trƣờng không khí ẩm.



83

Trong môi trƣờng nƣớc trung tính có hoà tan oxi.

Trong dung dịch axit H2SO4 đã đuổi hết oxi.

Trong môi trƣờng axit có hoà tan oxi.

14.12. Hãy viết phản ứng quá trình ăn mòn đồng trong dung dịch trung tính có

hoà tan oxi và trong dung dịch HCl có hoà tan oxi.

14.13. Trong số các kim loại sau đây, kim loại nào có xu hƣớng bị ăn mòn

trong không khí ẩm ở 25 0C, pH = 7: Fe, Zn, Cu, Pb, Al, Ag, Ni, Co.

Chấp nhận nồng độ ion kim loại tối thiểu để ăn mòn xảy ra là 10-6M.

14.14. Ở pH bằng bao nhiêu thì Cu bị ăn mòn trong không khí ẩm ở 25 0C.

Chấp nhận nồng độ ion kim loại tối thiểu để ăn mòn xảy ra là 10-6M.

14.15. Trong môi trƣờng dung dịch axit ở 25 0C có hoà tan oxy, độ pH = 3.

Liệu Ag, Cu có bị ăn mòn hay không. Chấp nhận nồng độ ion kim loạitối thiểu để ăn mòn xảy ra là 10-6M.

14.16. Có một thanh sắt (thép) bị ăn mòn trong môi trƣờng axit. Sau 48 giờ

thanh sắt bị mòn đi với chiều dày = 0,5mm. Viết phƣơng trình phản

ứng hoà tan sắt và xác định mật độ dòng ăn mòn (A/cm2). Cho biết:

MFe= 55,85; dFe = 7,86 (g/cm3).

14.17. Cho một thanh kẽm vào trong dung dịch axit HCl, có hiện tƣợng gì xảy

ra. Viết phƣơng trình phản ứng ăn mòn. Nếu sau 2 giờ thu đƣợc 1000

ml khí H2 (ở đkc). Xác định tốc độ ăn mòn kẽm theo đơn vị ( m / h ) và

(g/cm2.h). Cho biết: MZn = 65,39; dZn = 7,14 g/cm3, diện tích thanh kẽm

S = 1 dm2.

14.18. Một thanh thép (sắt) bị ăn mòn trong axit với mật độ dòng ăn mòn i =

10 A/m2, diện tích thanh thép bị ăn mòn là S = 0,5 dm2. Xác định tốc độ

ăn mòn và độ tổn thất kim loại sau 100 giờ làm việc. Nếu sau 100 giờ

làm việc, thép mòn đi 0,5 mm. Tính mật độ dòng ăn mòn (A/cm2). Cho

biết MFe = 55,85; dFe = 7,86 (g/cm3

).



84

BÀI 4

CÁC PHƢƠNG PHÁP BẢO VỆ ĂN MÒN Mã bài : AMKL 4

Giới thiệu

Vấn đề bảo vệ ăn mòn kim loại thƣờng đi liền với việc sử dụng kim loại.

Các phƣơng pháp bảo vệ ăn mòn để có hiệu quả thì phải biết nguyên nhân và

cơ chế của quá trình ăn mòn. Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn trong môi

trƣờng xâm thực, ngƣời ta thƣờng dùng các lớp che phủ lên bề mặt kim loại.

Các lớp che phủ này bền hơn đối với tƣơng tác của môi trƣờng ăn mòn. Nhờ

có lớp che phủ này nên kim loại không bị ăn mòn. Lớp che phủ này là các lớp

kim loại, các màng muối và oxyt khó tan của kim loại, các chất dẻo, sơn dầu,

nhựa tổng hợp, các lớp tráng men và dầu mỡ. Mục tiêu thực hiện

Học xong bài này học viên có khả năng:

Nắm đƣợc vai trò của các lớp phủ bảo vệ và các nguyên tắc bảo vệ

của chúng.

Chọn đƣợc các phƣơng pháp bảo vệ phù hợp cho các kim loại ở

môi trƣờng khác nhau.

Thực hiện một số thí nghiệm điển hình về tạo các lớp phủ bảo vệ

nhƣ oxy hoá, photphat hoá kim loại và sử dụng các chất làm chậm

ăn mòn.

Nội dung chính

1. Lớp phủ bảo vệ

Lớp phủ bảo vệ là một trong những phƣơng pháp phổ biến để chống ăn

mòn kim loại.

1.1. Lớp phủ kim loại

Bao phủ bề mặt kim loại nền bằng một kim loại hay hợp kim khác đểchống ăn mòn, đồng thời có tác dụng trang trí, phục hồi các chi tiết, nâng cao

độ mài mòn, ma sát. Về mặt cơ chế tác dụng bảo vệ, ngƣời ta chia làm 2 loại :

Lớp phủ anot: điện thế của kim loại phủ âm hơn so với kim loại nền. Ở

điều kiện thƣờng, lớp phủ này ngăn cách kim loại nền với mội trƣờng ăn mòn,

khi lớp phủ này bị phá hoại thì kim loại nền này vẫn không bị ăn mòn, lúc đó

kim loại phủ đóng vai trò là anot, kim loại nền đóng vai trò là catot. Thí dụ: phủ

Zn lên Fe.

Anot : Zn, Cd bị hoà tan.



85

Catot : thanh Fe không bị hoà tan (đƣợc bảo vệ).

Lớp phủ catot: điện thế điện cực của kim loại phủ dƣơng hơn so với k im

loại nền. Thí dụ: phủ Cu, Cr, Ni lên Fe.

Đối với lớp phủ này, muốn bảo vệ kim loại nền tốt thì lớp phủ catot này

phải thỏa điều kiện:

Bền trong môi trƣờng ăn mòn.

Sít chặt, không có lỗ xốp, không vết nứt.

Bám chặt vào kim loại nền.

Hình 4.1: Quá trình ăn mòn kẽm của lớp phủ kẽm lên sắt. Về phƣơng pháp phủ ngƣời ta chia thành hai phƣơng pháp :

Theo phƣơng pháp nhiệt: nhúng trong kim loại nóng chảy, khuyếch

tán nhiệt...

Theo phƣơng pháp điện hóa.

1.1.1. Phƣơng pháp nhiệt

Nhúng kim loại cần bảo vệ vào kim loại khác ở dạng nóng chảy và kim

loại nóng chảy bám chắc vào kim loại cần bảo vệ, hoặc khuếch tán nguyên tố

kim loại lên trên bề mặt kim loại nền tạo thành lớp hợp kim trên bề mặt của nó,

quá trình này tiến hành ở nhiệt độ cao.

Điều kiện cơ bản để tiến hành theo phƣơng pháp nhiệt :

Kim loại phủ phải có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn kim loại nền.

Kim loại phủ có khả năng thấm ƣớt và dàn đều trên bề mặt kim loại

nền.

Tạo thành hợp kim giữa hai kim loại.

Ƣu điểm:



86

Phƣơng pháp tiến hành và công nghệ đơn giản.

Năng suất cao.

Nhƣợc điểm chung của phƣơng pháp nhúng trong kim loại nóng chảy:

Không thể tạo lớp phủ đều đặn, các chi tiết có hình dạng phức tạp,

kích thƣớc nhỏ.

Hao phí kim loại phủ tƣơng đối nhiều.

Lớp phủ không đồng đều, chiều dày lớp phủ không ổn định, phụ

thuộc vào thành phần nhiệt độ và thời gian nhúng.

Thí dụ: tráng kẽm lên thép cacbon đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau :

Tẩy dầu mỡ trong dung dịch NaOH (5 10%) và Na3PO4 (2 5%) ở

nhiệt độ 800C.

Tẩy gỉ hóa học trong dung dịch H2SO4 (5 10%, thời gian 30 phút ). Hoạt động hóa bề mặt thép bằng dung dịch HCl (0.5 3%).

Trợ dung hóa bề mặt kim loại (là làm sạch bề mặt kim loại để tránh

kim loại khỏi bị oxy hóa và giúp cho bề mặt kim loại thấm ƣớt tốt).

Nhúng vào kẽm nóng chảy, nhiệt độ bể kẽm 435 470 0C.

Thành phần của chất trợ dung:

42 43% NH4Cl.

13 14% ZnO.42 43% ZnCl2.

Chất trợ dung tác dụng với kẽm tạo thành hợp chất phức sau :

Zn + 2NH4Cl Zn(NH3)2Cl2 + H2

Zn(NH3)2Cl2 ZnNH3Cl2 + NH3

Oxyt sắt bị khử theo phản ứng sau :

FeO + NH4Cl FeOHCl + NH3

FeOHCl + ZnNH3Cl2 FeCl2 + ZnOHCl + NH3

ZnOHCl đóng vai trò chính trong việc thấm ƣớt sắt, cho nên ZnCl2 đóngvai trò quan trọng trong chất trợ dung.

ZnCl2 2H O [ZnCl2(OH)2]H2 : chất này đóng vai trò quan trọng trong

việc thấm ƣớt.

FeCl2 + Zn ZnCl2 + Fe

ZnO + 2NH4Cl ZnCl2 + 2NH3 + H2O

Ngoài tráng kẽm, các chi tiết dùng trong ngành đồ hộp và chuyên chở

thực phẩm thƣờng dùng thiếc để tráng, vì hợp chất hoá học của thiếc không

độc đối với cơ thể con ngƣời. Tráng chì dùng cho các chi tiết làm việc trong



87

môi trƣờng axit ăn mòn cao chẳng hạn nhƣ: các trục, cánh khuấy, van chịu

axit...

Hình 4.2: Sơ đồ phƣơng pháp mạ điện.

1.1.2. Phƣơng pháp điện hóa (phƣơng pháp mạ điện)

Bản chất của phƣơng pháp là kết tủa điện hoá các ion kim loại lên trên

bề mặt kim loại cần bảo vệ. Phƣơng pháp này dùng dòng điện một chiều, kim

loại cần đƣợc phủ nối với cực âm của nguồn điện (đóng vai trò là catot). Điện

cực hoà tan nối với cực dƣơng của nguồn điện (đóng vai trò là anot).

Anot : Zn - 2e Zn+2

Catot : Zn+2 + 2e Zn

2H+ + 2e H2↑ Các phƣơng pháp gia công bề mặt trƣớc khi phủ: gia công bề mặt kim

loại trƣớc khi thực hiện lớp phủ đóng vai trò quan trọng, vì dạng bề mặt quyết

định tính bám dính, độ bóng, độ bền lớp mạ. Gia công bề mặt có thể tiến hành

theo phƣơng pháp cơ học, hoá học, điện hoá học.

Phƣơng pháp cơ : Có tác dụng làm bong lớp gỉ, làm cho bề mặt

bóng, nhẵn để có lớp phủ chất lƣợng cao và đƣợc tiến hành theo

các bƣớc sau:

Mài thô: làm cho bề mặt bằng phẳng và sạch gỉ .

Mài tinh: làm cho bề mặt nhẵn, phẳng, sạch gỉ không còn các

vết sƣớt gồ ghề.

Đánh bóng: làm cho bề mặt chi tiết nhẵn bóng, đối với các chi

tiết nhỏ thì quá trình mài và đánh bóng đồng thời trong các

thùng quay.

Phun cát: có tác dụng làm sạch gỉ, tạo bề mặt nhám đều.

Tẩy gỉ bằng phƣơng pháp hoá học: thƣờng dùng dung dịch axitH2SO4, HCl loãng, đôi khi thêm chất ức chế vào trong axit có tác



88

dụng hòa tan gỉ, hạn chế hoà tan kim loại (giảm 2 3 lần so với

không có chất ức chế).

Tẩy dầu mỡ: dùng nhiều phƣơng pháp khác nhau:

Đốt các chi tiết ở 350 0C thì tất cả dầu mỡ sẽ cháy tạo thành

khí, phƣơng pháp này dùng cho các chi tiết lơn nhƣ băng, tấm,

ống...

Dùng dung môi hữu cơ nhƣ CCl4, CHCl3, xăng ...

Dùng phƣơng pháp hoá học: thƣờng dùng NaOH (20 30% kl);

Na3PO4 (6 8% kl); Na2CO3 (5 10% kl), mục đích là xà phòng

hoá dầu mỡ động thực vật, hoặc dùng các chất hoạt động bề

mặt nhƣ alkylsunfonat, polyetylenglycol, những chất này cho

hiệu quả tẩy rửa cao. Tẩy dầu mỡ đƣợc tiến hành ở nhiệt độ70 90 0C, ở nhiệt độ này quá trình xà phòng hoá và nhủ hoá

xảy ra rất mãnh liệt. Thời gian tẩy rửa phụ thuộc vào mức độ

bẩn của chi tiết và lƣợng dung dịch tẩy rửa, thông thƣờng từ

10 60 phút, cần đảo trộn chi tiết và dung dịch để giảm thời

gian và tăng chất lƣợng làm sạch.

Phƣơng pháp điện hoá : tiến hành trong dung dịch kiềm và

dùng dòng điện một chiều dùng để cực hoá anod hay cực hoá

catod các chi tiết tẩy dầu mỡ. Trong quá trình điện ly, trên bề

mặt các chi tiết có khí thoát ra, các bọt khí này liên kết tạo

thành các bọt khí lớn thoát ra ngoài kéo theo màng dầu bao

bọc quanh nó.

Phƣơng pháp siêu âm: quá trình đƣợc thực hiện trong bể chứa

dung môi hữu cơ hoặc dung dịch kiềm, bên trong có đặt nguồn

phát siêu âm để truyền dao động cho chất lỏng. trong quá trình

truyền sóng siêu âm vào chất lỏng, làm trong bể chất lỏng xuấthiện khu vực có áp suất rất cao (vài ngàn at) xen kẽ khu vực áp

suất thấp (nút sóng). Do đó làm gián đoạn chất lỏng khi có

chùm tia sóng siêu âm đi qua. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng

khí xâm thực. Tác dụng của lực cơ học khi xuất hiện hiện

tƣợng khí xâm thực rất lớn, không những nó có tác dụng tẩy

dầu mỡ mà còn phá hủy màng oxyt trên bề mặt chi tiết.

Thành phần dung dịch mạ: thành phần dung dịch mạ giữ vai trò quyết

định về chất lƣợng lớp mạ, chiều dày lớp mạ. Dung dịch mạ thƣờng là một



89

hỗn hợp phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly và các loại phụ gia nhằm

đảm bảo thu đƣợc lớp mạ có chất lƣợng và tính chất mong muốn. dung dịch

mạ gồm các thành phần sau:

Ion kim loại mạ: trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion đơn hydrat

hoặc ion phức.

Dung dịch ở dạng ion đơn hydrat: cấu tử chính của dung dịch là

muối của axit vô cơ, các cation kim loại này phóng điện dễ,

phân cực nồng độ không đáng kể, cho hiệu suất dòng điện cao

nhƣng lớp mạ thu đƣợc thô dày không đều, thích hợp mạ cho

các vật có hình thù đơn giản.

Dung dịch ở dạng ion phức: thƣờng dùng các phức CN-,

NH3…, các dung dịch này dùng cho trƣờng hợp lớp mạ cần cókhả năng phân bố cao, lớp mạ đẹp, để mạ cho vật có hình

dạng phức tạp. Ion kim loại mạ là ion trung tâm trong nội cầu

phức làm hoạt độ của nó giảm, điện thế tiêu chuẩn chuyển về

phiá âm rất nhiều. Ligan tạo phức chúng phóng điện ở catod

lớn, điện thế cân bằng và điện thế phóng điện chuyển về phiá

âm, nhằm tránh hiện tƣợng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa

catod và ion kim loại mạ.

Thí dụ: trƣờng họp mạ đồng lên sắt thép:Cu2+ + Fe Cu + Fe2+

Phản ứng hoá học này cho lớp mạ Cu rất xấu, vừa xốp vừa dễ bong.

Nếu cho chất tạo phức vào để làm cho điện thế oxy hoá – khử của đồng trở

nên âm hơn của sắt thì khả năng nhiệt động xảy ra phản ứng trên không còn

nữa.

Chất tạo phức thƣờng cho lớp mạ mịn, phủ kín đồng đều lên bề mặt chi

tiết mạ, đồng thời nó cũng có vai trò làm hoà tan anot vì chúng ngăn cản đƣợc

sự thụ động anot.

Chất dẩn điện: để tăng độ dẩn điện cho chất điện giải thƣờng ngƣời

ta cho chất dẩn điện. Chất dẩn điện không tham gia vào quá trình

anod và catod, nó đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch giúp làm

giảm điện thế bể mạ, giảm nhiệt jun thoát ra. Các chất dẩn điện có

thể là acid hay muối của kim loại kiềm và kiềm thổ. Thí dụ: dung dịch

H2SO4, MgSO4, Na2SO4...

Chất đệm: khống chế hoặc ổn định độ pH, nhiều dung dịch chỉ làmviệc đƣợc trong khoảng pH nhất định. Chất đệm thƣờng dùng là các



90

axit yếu nhƣ axit citric, axit boric H3BO3, Al2(SO4)3 hoặc các muối

acetat.

Chất làm bóng: chất này thƣờng đƣợc dùng với liều lƣợng tƣơng

đối lớn (vài g/l) và có thể bị lẫn vào lớp mạ. Chúng cho lớp mạ nhẵn

mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm.

Chất thấm ƣớt: Chất này đƣợc cho vào để thúc đẩy các bọt khí, bọt

hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực. Thiếu chúng, bọt khí

nhất là hydro sinh ra từ phản ứng phụ sẽ gây rỗ và giòn hydro, do

chúng thấm vào kim loại.

Thí dụ:

Mạ bằng dung dịch muối đơn, thƣờng dùng là dung dịch sunfat,

clorua.Ƣu điểm: dung dịch ổn định và hiệu suất dòng điện cao

Khuyết điểm: Lớp mạ thô, khả năng phân bố kém, chỉ thích hợp mạ

những chi tiết đơn giản nhƣ thép dây, tấm, ống…

Thành phần dung dịch mạ niken:

NiSO4.7H2O 200 240 (g/l).

Na2SO4.7H2O 100 120 (g/l).

NaCl 10 25 (g/l).

H3BO3 30 (g/l).

iC 2,5 5 A/dm2.

nhiệt độ 30 50 0C.

pH 5,2 5,6.

Mạ bằng dung dịch muối phức: mạ các chi tiết phức tạp, lớp mạ có cấu

trúc mịn, chất lƣợng lớp mạ cao, khả năng phân bố tốt.

Mạ kẽm trong dung dịch amoniacat:

ZnO + 2NH4Cl + (n-1)H2O [Zn(NH3)2nH2O]Cl2 Thành phần dung dịch mạ:

ZnO 30 35 (g/l).

NH4Cl 200 (g/l).

NH4CNS 40 50 (g/l).

Keo da 1 (g/l).

iC 1,5 2 A/dm2.

pH 6,5 8.



91

1.2. Bao 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 cókhả 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, cócấu 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 ngoàiCuO còn có Cu2O.

Thí dụ: oxy hóa đồng bằng phƣơng pháp hoá học:

NaOH 50 g/l.

K2S2O8 15 g/l.


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:

K2Cr 2O7 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.



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 chìđƣợc 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/dm2.

Điện thế 12 13 V.


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 thìcũng 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 dàythêm. 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( dotích 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.


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 (%). -

0mK : tốc độ ăn mòn kim loại trong môi trƣờng điện ly khi chƣa bảo

vệ catot.

- 2mK : 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 sửdụng 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 mKi

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.

- 0

m : tổn thất khối lƣợng kim loại trong môi trƣờng ăn mòn khi chƣa

bảo vệ catot.

- 2

m : 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 + 4H2OFe3O4 + 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

-, CrO42,

CrO72-…) 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 trongnƣớc 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 dụngbảo vệ đồng và hợp kim thiết trong nƣớcvà trong dung dịch muối điện ly.

Muối K2Cr 2O7 (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 du ng

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 K2Cr 2O7 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 kimloại 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 tácdụng 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 tiếpxúc 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 KZ(%) .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%.


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%.


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


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 củachất 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


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.


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




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 dungdịch 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 < 1000C). 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 vàcó chất làm chậm ăn mòn:

11

1

mK

S .t (g/m2.h).

22

2

mK

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 KZ(%) .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

33

3

mKS .t

(g/m2.h).

44

4

mK

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 KZ (%) .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


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.


Nhiệt kế 200 0C.

Bộ nguồn chỉnh lƣu.

Mẫu thép CT3 50x25x2 (mm).

Mẫu nhôm 50x25 (mm).

Becher 500 ml : 3.

Becher 250 ml : 10.

Bể oxy hoá nhôm.

Dây dẫn điện.

Bếp điện.Giá treo mẫu.

Bình phun hơi nƣớc.

Đũa khuấy.

Đồng hồ bấm giây.

Giấy nhám.

HCl 0,1M.

NaCl 10%.

CuSO4 0,5M.

K2Cr 2O7.

H3PO4.

Zn(NO3)2.6H2O.

HCl đậm đặc.

Muối Majef .

NaNO3.

NaOH.

Na2CO3.

Na2CrO4.Urê (NH2)2CO.

Cu(NO3)2.

HNO3.

H2SO4.

Na2SiO3.

Na3PO4.12H2O.

KCN.

KCl.4.2.3 Các công việc chuẩn bị




4.2.4. Quy trình

a. Thí nghiệm 1: oxy hoá thép bằng phƣơng pháp hoá học

Lấy 2 mẫu thép CT3 có kích thƣớc 50x25x2 (mm) đem gia công làmsạch lớp gỉ bằng cách mài thô hay mài tinh (làm sạch bằng giấy

nhám mịn).

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.



108



phút.


đi sấy khô mẫu (t0 < 110 0C).

Lấy mẫu 1 đem ngâm vào dung dịch oxy hoá hoá học có thành phần

nhƣ sau:

NaOH 600 700 g/l.

NaNO3 200 250 g/l.

KCl 8 10 g/l.

KCN 10 20 g/l.

Nhiệt độ 140 1450

C.Thời gian 30 40 phút.

Mẫu 1 sau khi oxy hoá, đem rữa sạch trong nƣớc lạnh, rồi nhúng

vào dung dịch axit cromic H2CrO4 (3 5%).

Rữa sạch mẫu, ngâm vào dung dịch xà phòng (1 2%) ở nhiệt độ

70 80 0C, và rữa sạch bằng nƣớc lạnh.

Sấy khô mẫu 1, bôi vào một lớp dầu mở trung tính.

Đem mẫu 1 và mẫu 2 (không oxy hoá) treo trên giá, dùng bình phun

nƣớc phun dung dịch nƣớc muối NaCl (3%) ƣớt đều lên 2 mẫu, để

khô tự nhiên.

Sau 3h, tháo 2 mẫu ra khỏi giá và quan sát hiện tƣợng, màu sắc 2

mẫu.

b. Thí nghiệm 2: oxy hoá nhôm

Lấy 3 mẫu nhôm có kích thƣớc 50x25 (mm) đem đánh bóng cơ học,

tẩy dầu mỡ và tẩy nhẹ trong dung dịch:

Na2CO3 50 g/l.Na3PO4.12H2O 50 g/l.

Na2SiO3 50 g/l.

Nhiệt độ 100 0C.


Làm sáng (bóng) nhôm trong dung dịch sau:

H3PO4 (d 1,7) 65 ml.

H2SO4 (d 1,84) 20 ml.

HNO3 (d 1,45) 15 ml.



109

Cu(NO3)2 0,1 g.

Urê (NH2)2CO 0,3 g.

Nhiệt độ 90 0C.

Thời gian 0,5 1 phút.

Đem mẫu nhôm 1, nhúng vào dung dịch oxy hoá hoá học có thành

phần sau:

Na2CO3 50 g/l.

NaOH 2,5 g/l.

Na2CrO4 15 g/l.


Mẫu 1 sau khi đƣợc oxy hoá rữa sạch bằng nƣớc lạnh, nƣớc nóng

và đem sấy ở nhiệt độ 90 1000

C.Mẫu nhôm 2 oxy hoá theo phƣơng pháp điện hoá, tiến hành nhƣ sau:

Lắp mẫu 2 theo sơ đồ thí nghiệm sau:

Hình 4.7: Sơ đồ oxy hoá nhôm theo phƣơng pháp điện hoá.

1/ bộ nguồn, 2/ catot chì, 3/ anot nhôm, 4/ H2SO4 15%.

Tiến hành oxy hoá trong dung dịch H2SO4 15% trong điều kiện sau:

i A 1 2 A/dm2.



Mẫu nhôm sau khi đƣợc oxy hoá, đem rữa sạch bàng nƣớc nóng,

nƣớc lạnh và đem đi sấy khô ở nhiệt độ 90 100 0C.

Đem 3 mẫu nhôm (mẫu nhôm 3 không oxy hoá) thử độ bền củamàng oxyt trên nhôm, bằng cách nhỏ 1 2 giọt dung dịch thử lên bề



110

mặt mẫu nhôm. Chất lƣợng của màng nhôm đƣợc xác định từ thời

gian thử (phút) đến khi xuất hiện màu xanh trên mẫu nhôm.

Thành phần dung dịch thử:

HCl (d 1,18) 25 ml.

H2O 75 ml.

K2CrO4 3 g.

c. Thí nghiệm 3: photphat hoá thép CT3.

Lấy 2 mẫu thép CT3 có kích thƣớc 50x25x2 (mm) đem gia công làm

sạch lớp gỉ bằng cách mài thô hay mài tinh (làm sạch bằng giấy

nhám mịn).

Rữa sạch 2 mẫu bằng nƣớc, sau đó đem đi tẩy dầu mỡ bằng dung

dịch kiềm ở nhiệt độ 70 900

C, thời gian 20 30 phút. Dung dịchkiềm có thành phần nhƣ sau:

NaOH 20 30 g/l.

Na3PO4 60 80 g/l.

Na2CO3 5 10 g/l.



phút.


đi sấy khô mẫu (t0 < 110 0C).

Lấy mẫu 1 đêm tiến hành photphat hoá với thành phần dung dịch và

chế độ làm việc nhƣ sau:

Muối Majef 30 g/l.

NaNO3 4 6 g/l.

Zn(NO3)2.6H2O 60 g/l.

H3PO4 tự do 0,5 1,0 g/l.Nhiệt độ 90 95 0C.


Sau khi photphat hoá, mẫu 1 đƣợc rữa sạch và nhúng vào trong

dung dịch K2Cr 2O7 (60 100 g/l) trong thời gian 20 30 phút. Rữa và

đem đi sấy khô.

Để thử khả năng bảo vệ của màng photphat, ta lấy mẫu 1 và 2 (mẫu

2 không photphat hoá) nhỏ lên bề mặt mẫu từ 1 2 giọt dung dịch



111

thử. Tính chất bảo vệ của màng photphat theo thời gian xuất hiện

màu đỏ của đồng nhƣ sau:

Thời gian xu t hiện màu đỏ của

đồng (giây)

< 300 120 129 60 115 60

Đặc trƣng bảo vệ của màng Cao Trung

bình

Th p R t th p

Thành phần dung dịch thử:

CuSO4 0,5M 40 ml.

NaCl 10% 20 ml.HCl 0,1M 0,8 ml.

4.2.5. Kết quả thực hành

Quan sát màu sắc, hiện tƣợng của 2 mẫu thử ở thí nghiệm 1. Viết

cơ chế xảy ra ăn mòn của hiện tƣợng mẫu thử đó.

Viết cơ chế tạo màng trong quá trình oxy hoá kim loại trên.

So sánh màu sắc của 2 mẫu nhôm oxy hoá ở thí nghiệm 2, từ đó rút

ra nhận xét gì.

Viết cơ chế tạo thành màng oxyt nhôm trong quá trình oxy hoá theo

phƣơng pháp điện hoá.

Trình bày kết quả thử độ bền của màng oxyt nhôm trên dung dịc h

thử. Từ đó rút ra nhận xét gì:

Mẫu Thời gian thử đến khi xuất hiện màu xanh (phút)

1

2

3Trình bày kết quả thử khả năng bảo vệ của màng photphat ở mẫu 1

và mẫu 2. Từ đó rút ra nhận xét gì:

Mẫu Thời gian xu t hiện màu đỏ

của đồng (giây)

Đặc trƣng bảo vệ của

màng

1

2

Trình bày cơ chế của quá trình photphat hoá kim loại ở thí nghiệm 3.



112


5.1. Thông thƣờng để bảo vệ ăn mòn điện hoá, ngƣời ta thƣờng dùng lớp phủ

bảo vệ nào. Lớp phủ anot, lớp phủ catot là gì, cho thí dụ.

5.2. Trình bày cơ chế tạo màng oxit trong quá trình oxy hoá sắt thép bằng

phƣơng pháp hoá học.

5.3. Trình bày cơ chế tạo thành màng oxyt nhôm theo phƣơng pháp điện hoá.

5.4. Trình bày cơ chế phốtphát hoá kim loại.

5.5. Chất làm chậm ăn mòn là gì, cách phân loại nó.

5.6. Trong phƣơng pháp bảo vệ điện hoá, ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng

pháp nào. Cho thí dụ.

5.7. Có một thanh thép (sắt) có kích thƣớc 2x4 cm dài 25 cm. Thanh thép này

đƣợc mạ đều lớp kẽm trên bề mặt, với chiều dày lớp mạ 40 m phủ kíntoàn bộ thanh thép. Nhúng toàn bộ thanh thép vào dung dịch H 2SO4

loãng. Sau 3 giờ thu đƣợc 1500 ml khí H2 (ở đkc). Nhƣ vậy lớp kẽm đã

tan hết chƣa, sắt bên trong đã bị ăn mòn chƣa. Tính tốc độ ăn mòn kẽm

và sắt (nếu có) theo đơn vị ( m / h ) và (g/cm2.h). Giả sử kẽm bị ăn mòn

đều và thể tích thanh thép thay đổi không đáng kể. Cho biết: MZn = 65,39;

MFe = 55,85; dZn = 7,13 (g/cm3); dFe = 7,87 (g/cm3).

5.8. Có một viên bi thép (sắt) có bán kính 30 mm. Viên bi này đƣợc mạ đều

lớp kẽm trên bề mặt, với chiều dày lớp mạ 40 m phủ kín toàn bộ viên bi

thép. Nhúng toàn bộ viên bi thép vào dung dịch H2SO4 loãng. Sau 2 giờ

thu đƣợc 500 ml khí H2 (ở đkc). Nhƣ vậy lớp kẽm đã tan hết chƣa, sắt

bên trong đã bị ăn mòn chƣa. Tính tốc độ ăn mòn kẽm và sắt (nếu có)

theo đơn vị ( m / h ) và (g/cm2.h). Giả sử kẽm bị ăn mòn đều và thể tích

viên bi thép thay đổi không đáng kể. Cho biết: MZn = 65,39; MFe = 55,85;

dZn = 7,13 (g/cm3); dFe = 7,87 (g/cm3).



113

CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG VÀ NÂNG CAO

1. Kẽm thuộc hệ sáu phƣơng xếp chặt (hcp). Biết MZn = 65,39; bán kính

nguyên tử của kẽm r Zn = 1,33 A0; quan hệ giữa hằng số ô mạng a và bán kính

r là: a = 2r; c = 4,93 A0; số Avogadro: 6,023.1023. Tính khối lƣợng riêng cho

kẽm (g/cm3).

2. Kim loại Ag có bị ăn mòn không, khi cho Ag vào trong dung dịch axit đã đuổi

hết oxy (pH =3) và trong dung dịch điện ly trung tính có hoà tan oxy (pH = 7) .

Chấp nhận nồng độ ion kim loại tối thiểu để ăn mòn xảy ra là 10-6 M.

3. Có một thanh thép (sắt) có kích thƣớc 3x6 cm dài 30 cm. Thanh thép này

đƣợc mạ đều lớp kẽm trên bề mặt, với chiều dày lớp mạ 40 m phủ kín toàn

bộ thanh thép. Nhúng phân nữa thanh thép theo chiều thẳng đứng vào dungdịch H2SO4 loãng. Sau 2 giờ thu đƣợc 1000 ml khí H2 (ở đkc). Nhƣ vậy lớp

kẽm đã tan hết chƣa, sắt bên trong đã bị ăn mòn chƣa. Tính tốc độ ăn mòn

kẽm và sắt (nếu có) theo đơn vị ( m / h ) và (g/cm2.h). Giả sử kẽm bị ăn mòn

đều và thể tích thanh thép thay đổi không đáng kể. Cho biết: MZn = 65,39; MFe

= 55,85; dZn = 7,13 (g/cm3); dFe = 7,87 (g/cm3).



114

ĐÁP ÁN CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Bài 1: MỞ ĐẦU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI.

3.4 8,893 (g/ cm3).

3.5 0,802 (g/cm3).

Bài 2: ĂN MÒN HOÁ HỌC.

3.6 0,81 < 1 Màng MgO không có tính năng bảo vệ.

3.7 1,48 > 1 Màng TiO2 có khả năng bảo vệ.

3.8 CaO

Ca

V

V= 0,62 < 1 Màng CaO không có tính năng bảo vệ.

NiO

Ni

V

V = 1,71 > 1 Màng NiO có tính năng bảo vệ.

Bài 3: ĂN MÒN ĐIỆN HOÁ.

14.16 7,86.10-3 (A/cm2).

14.17 20,42 ( m / h ); 1,458.10-2 (g/cm2.h).

14.18 10,41 (g/m2.h); 5,205 (g). 3,777.10-3 (A/cm2).

Bài 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP BẢO VỆ ĂN MÒN.

5.7 Kẽm chƣa hoà tan hết, sắt bên trong chƣa bị ăn mòn.

Km = 6,48 ( m /h) = 46,2.10-4

(g/cm2

.h).5.8 Kẽm chƣa hoà tan hết, sắt bên trong chƣa bị ăn mòn.

Km = 9,045 ( m /h) = 64,5.10-4 (g/cm2.h).

BÀI TẬP MỞ RỘNG VÀ NÂNG CAO

1. 7,18 (g/cm3).

2. 0,445 > -0,118 (v) Ag không bị ăn mòn trong dung dịch axit.

0,445 > 0,401 (v) Ag không bị ăn mòn trong dung dịch trung tính có hoà

tan oxy.

3. Kẽm chƣa hoà tan hết, sắt bên trong chƣa bị ăn mòn.

Km = 7,105 ( m /h) = 50,66.10-4 (g/cm2.h).



TÀI LIỆU THAM KHẢO

- - B

Tp.HCM 1980.

- - Nhà xuất bản C

1980.

-

- Nhà xuất bản K K 1984.

4. Nguyễn Văn Tuế - Ăn mòn và bảo vệ kim loại - Nhà xuất bản Giáo dục.

5. W.A.Schultze, Phan Lƣơng Cầm - Ăn mòn và bảo vệ kim loại - Trƣờng đại

học Bách khoa hà nội 1985.

Documents

Mô đun Ăn mòn kim loại