Giáo trình Ăn mòn kim loại (Phần 2)

ỏng, 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-, SO4 2- , 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 đó làm 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-, SO4 2-, 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 mòn kim 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 nhau 12.1. 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 tác dụng 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 nhiên gần 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 ăn mòn 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 O2, 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 có một 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, silichoặc 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, Sdùng 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 khác 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 ảnh hƣởng 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 luyệnđể 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 dung dịch 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 – Sn bền 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 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. Rửa mẫu bằng nƣớc nóng, sau đó rửa vào nƣớc lạnh sạch và đem đi sấy khô mẫu ( 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.A m 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. 2H V : 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: 1 1 1 m K 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.A m V n.22400 (g). Tốc độ ăn mòn mẫu 2 ở thời gian 2h: 2 2 2 m K 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 và thời 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. Tính toán và pha các dung dịch có nồng độ cần thiết. Chuẩn bị các dụng cụ đo thí nghiệm, sổ ghi kết quả. 13.2.4. Qui trình a. 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 R1, 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 có điện 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 .t m n.F (g). 82 Tốc độ ăn mòn kẽm: m m A A m A.I K 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 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 .t m n.F (g). Tốc độ ăn mòn kẽm: m m A A m A.I K 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. Câu hỏi và bài tập 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 loại tối 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/cm 3). 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/cm 3, 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/cm 3). 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 mà