Luận văn : Bảo vệ kim loại chống ăn mòn

Luận văn: Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Bảo vệ kim loại chống ăn mòn LỜI MỞ ĐẦU Ăn mòn kim loại là vấn đề rất nghiêm trọng gây nên tổn thất rất lớn cho nền kinh tế quốc dân. Trên thế giới có khoảng một phần ba trọng lượng kim loại hàng năm bị ăn mòn, phá hủy. Tác hại do ăn mòn kim loại gây ra là rất lớn, gồm nhiều tác hại trực tiếp và gián tiếp. Vì thế, chống ăn mòn kim loại là một vấn đề đã và đang được áp dụng để làm giảm thiệt hại này. Sơn và mạ điện là một phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn trong môi trường xâm thực và trong khí quyển. Trong đó, mạ kẽm là một ứng dụng quan trọng của mạ điện để bảo vệ vật liệu khỏi bị ăn mòn.Vì thế, chúng tôi xin được trình bày chi tiết về kỹ thuật này dưới đây. Tác giả Hoàng Anh Huy - 1 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn MỤC LỤC Lời Mở Đầu: ...............................................................................................................2 Chương 1. Tổng quan về ăn mòn và bảo vệ kim loại.............................................5 1.1. Khái niệm về sự ăn mòn kim loại..........................................................................5 1.2.Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại ................................................................5 1.3.Tốc độ ăn mòn kim loại..........................................................................................7 1.4.Những nhân tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn .............................................................8 1.5. Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn ...............................................8 a. Cách ly kim loại với môi trường ...................................................................8 b. Dùng hợp kim chống gỉ.................................................................................8 c. Dùng chất chống ăn mòn...............................................................................8 d. Dùng phương pháp điện hóa .........................................................................9 Chương 2. Nguyên liệu sản xuất tôn.........................................................................10 2.1. Khái quát về vật liệu..............................................................................................10 2.2. Các tác nhân gây ăn mòn......................................................................................10 2.3. Cơ chế ăn mòn.......................................................................................................11 Chương 3. Bảo vệ tôn khỏi bị ăn mòn bằng phương pháp sơn.............................12 3.1. Mục đích................................................................................................................12 3.2. Khái niệm ..............................................................................................................12 3.3.Thành phần của sơn................................................................................................12 3.4. Sơ đồ quy trình phủ sơn trên tôn...........................................................................15 3.5. Ưu và nhược điểm của phương pháp ....................................................................16 Chương 4: Bảo vệ tôn bằng phương pháp mạ kẽm ......................................................17 4.1.Mục đích ................................................................................................................18 4.2.Giới thiệu chung về kẽm và mạ kẽm.....................................................................18 4.3.Các dung dịch mạ kẽm ...........................................................................................19 4.5.Bản chất và yêu cầu của lớp mạ .............................................................................19 4.6.Chuẩn bị bề mặt trước khi ma ................................................................................23 - 2 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn 4.7. Sơ đồ quy trình công nghệ mạ kẽm ......................................................................24 4.8.Qui trình công nghệ sản xuất tôn mạ kẽm..............................................................26 Chương 5: Một số hình ảnh của tôn mạ kẽm ..........................................................29 Kết luận: ................................................................................................................30 Tài liệu tham khảo: ....................................................................................................31 - 3 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1.1 Khái niệm về sự ăn mòn kim loại. Sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng hóa học hoặc điện hóa của kim loại với môi trường xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại. Kết quả là kim loại sẽ bị oxi hóa thành các ion dương và sẽ mất đi những tính chất quý báu của kim loại. M – ne = Mn+ 1.2 Phân loại Các quá trình ăn mòn kim loại. Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại, người ta có thể phân loại ăn mòn theo nhiều cách khác nhau. Có người phân loại ăn mòn ở nhiệt độ cao và ở nhiệt độ thấp, có người phân loại ăn mòn khô và ăn mòn ướt. Trong bài tiểu luận này, chúng tôi phân loại ăn mòn theo cơ chế phản ứng và sự ăn mòn kim loại được chia làm hai loại chính : a. Ăn mòn hóa học. Ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại do kim loại phản ứng hóa học với chất khí hoặc hơi nước ở nhiệt độ cao. Đặc điểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng điện ( không có các điện cực ) và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhanh. Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị của lò đốt, các chi tiết của động cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Kim loại được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường chứa chất xâm thực như : . S2, O2, Cl2 ,….v.v Me + ½ O2 → MeO Trong đó Me là kim loại Ví dụ: t0 4Fe + 6H 2O = 2Fe2O3 + 6H 2 - 4 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn t0 2Fe + 3Cl2 = 2Fe Cl3 Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng. b. Ăn mòn điện hóa. Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại do hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất điện li tạo nên dòng điện. Ví dụ: phần vỏ tàu biển chìm trong nước, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại tiếp xúc với không khí ẩm... Do vậy, ăn mòn điện hóa là loại ăn mòn kim loại phổ biến và nghiêm trọng nhất • Các điều kiện ăn mòn điện hóa. - Các điện cực phải khác chất nhau: có thể là cặp kim loại khác nhau, cặp kim loại - phi kim (C), cặp kim loại - hợp chất hóa học ( xêmentit Fe3C ). Trong đó kim loại có tính khử mạnh hơn sẽ là cực âm. Như vậy kim loại nguyên chất khó bị ăn mòn. - Các điện cực phải tiếp xúc với nhau ( hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn ). - Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch điện li. • Cơ chế ăn mòn điện hóa. Sự ăn mòn điện hóa của kim loại gồm 3 quá trình cơ bản : - Quá trình Anot : quá trình Anot là quá trình oxi hóa điện hóa, trong đó kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng cation Mez+ và giải phóng điện tử : kim loại bị ăn mòn Me → Mez+ + z.e - Quá trình Catot: quá trình catot là qúa trình khử điện hóa, trong đó chất oxi hóa nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn nhường cho điện tử Ox + z.e → Red Red: dạng khử lien hợp của Ox ( tức Ox.ze ) - 5 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn - Quá trình dẫn điện : Các điện tử do các kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ đi từ Anot đến catot, còn các ion di chuyển trong dung dịch. Như vậy, quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng điện giữa hai cực khác nhau của kim loại. Vùng kim loại bị hòa tan đóng vai trò cực dương ( + ) Anot, vùng kia đóng vai trò cực âm ( -) catot. Ta có thể tóm tắt quá trình trên bằng sơ đồ sau ( lấy sự ăn mòn của Zn trong dung dịch H2SO4 làm ví dụ ) 2+ 2+ + 2 e Z n . 2 e Z n n H2 O H 2+ + 2- 2 e Z n . 2 e 2 H + 2 e 2 HHaáp phuï S O 4 1.3 Tốc độ ăn mòn kim loại : Tốc độ ăn mòn có thể đo bằng các đại lượng sau : • Tổn thất trọng lượng: Tổn thất trọng lượng là trọng lượng kim loại bị ăn mòn trên đơn vị bề mặt trong đơn vị thời gian : m − m P = 1 2 S.t m1, m2 là trọng lượng mẩu kim loại trước và sau khi bị ăn mòn ( mg ) S : diện tích bề mặt kim loại ( dm2) t: thời gian ( s ) Độ thâm nhập P : Tính bằng chiều sâu trung bình kim loại bị ăn mòn trong một năm. G P = 8.76 ρ - 6 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Trong đó, G : lượng vật liệu bị ăn mòn ( g/m2.h ) ρ : khối lượng riêng của kim loại ( kg / m3 ) 1.4. Những nhân tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn. • Ảnh hưởng của bản chất kim loại. Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đến điện thế tiêu chuẩn, hoạt độ hóa học của kim loại. Điện thế tiêu chuẩn của kim loại càng âm thì hoạt độ hóa học càng cao, kim loại càng dễ bị ăn mòn. Tuy nhiên có những kim loại (như Crom, Niken), điện thế tiêu chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao nhưng tính bền ăn mòn tốt. Đó là do trên bề mặt hình thành lớp màng oxi hóa kín, rất mỏng, có thể bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn. Như vậy gọi là sự thụ động hóa kim loại. Tính chống gỉ của kim loại còn liên quan đến hàm lượng tạp chất và độ bóng của nó. Tạp chất của kim loại càng nhiều tính chống gỉ của nó càng kém. Độ bóng kim loại càng cao, tính chống gỉ càng tốt. • Ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới sự ăn mòn. Nhiệt độ càng cao, hoạt độ hóa học của kim loại và dung dịch tăng, do đó làm tăng sự ăn mòn. • Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn. Tính chống gỉ của nguyên liệu có quan hệ trực tiếp tới môi trường ăn mòn. Trong những môi trường khác nhau, tính ổn định của kim loại cũng khác nhau. Ví dụ: Vàng ổn định trong nhiều dung dịch nhưng bị ăn mòn trong nước cường toan. 1.5. Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn. a. Cách li kim loại với môi trường. Dùng những chất bền vững với môi trường để phủ ngoài mặt những vật bằng kim loại. Những chất phủ ngoài thường dùng là: - Các loại sơn chống gỉ, vecni, dầu mỡ, men, hợp chất polime... - Một số kim loại như Crom, niken, đồng, kẽm, thiếc....( phương pháp tráng hoặc mạ điện ). - Một số hợp chất hóa học bền vững như oxit kim loại, photphat kim loại ( phương pháp tạo màng ). b. Dùng hợp kim chống gỉ ( hợp kim inôc ). Chế tạo những hợp ki không gỉ như Fe - Cr - Ni trong môi trường không khí, môi trường hóa chất. c. Dùng chất chống ăn mòn. - 7 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Thêm một lượng nhỏ chất chống ăn mòn vào dung dịch axit có thể làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại xuống hàng trăm lần. d. Dùng phương pháp điện hóa. Người ta nối kim loại này với kim loại khác có tính khử mạnh hơn - 8 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Chương 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT TÔN 2.1. Khái quát về vật liệu. - Cấu tạo: Tôn là hợp kim của sắt ( Fe ) và cacbon ( C ) trong đó hàm lượng cacbon <6.62% và nhiều nguyên tố hóa học khác, đó là các tạp chất thường có như: Mn, Si, P,S,….. Tôn được sản xuất ở dạng tấm mỏng, nhẹ với độ dày từ 0.1-0.5 mm, chiều rộng 1-2 m, chiều dài 4 -10m, và khối lượng từ 1.1- 4.82 kg/m2. Tôn được dung để che chắn hoặc chủ yếu là dùng để lợp nhà, nhà xưởng công ty 2.2. Tác nhân gây ăn mòn: Tôn là vật liệu tiếp xúc trực tiếp với môi trường xung quanh nên chịu ảng hưởng của những nhân tố sau: • Nhiệt độ • Ánh sáng • Gió, bụi, sương • Mưa Trong nước mưa là có các khí CO2, NO2, SO2, O2 các khí này do môi trường bị ô nhiễm, sấm chớp tạo thành. Chính vì vậy làm cho nước mưa có tính axit nhẹ với PH=5.8 Tùy thuộc vào tác nhân gây ăn mòn mà tôn bị a7n mòn với những cường độ khác nhau .Nhẹ nhất là tôn bị mỏng đi, kế đến là bị bong tróc từng mảng và nặng nhất là bị lủng thổ. 2.3. Cơ chế ăn mòn : • Ở A nốt: các nguyên tử Fe bị oxy hóa thành Fe2+: Fe -2e = Fe2+. Các ion này tan vào dung dịch điên li tại đây đã có sẵn oxy, chúng lại bị oxy hóa tiếp thành Fe3+: - 9 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Fe2+ -1e = Fe3+ • Ở catốt: các ion hidro của dung dịch điện li chuyển đến cực dương, tại đây chúng bị khử thành hidro tự do, sau dó thoát ra khỏi dung dịch điện li: + 2H + 2e = H2 Ngoài ra trong nước còn có một lượng O2 khuếch tán nên quá trình ca tốt sẽ là: + O2 + 4H + 4e = 2H2O Các tinh thể sắt bị oxy hóa dần dần từ ngoài vào trong, sau một thời gian tấm tôn sẽ bị ăn mòn hết. Từ những cơ sở trên ta sẽ đưa ra được các biện pháp bảo vệ tôn trước môi trường nước mưa và sương muối. - 10 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Chương 3: BẢO VỆ TÔN KHỎI BỊ ĂN MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SƠN 3.1. Mục đích: Bảo vệ bề mặt sản phẩm, màng sơn mỏng hình thanh trên bề mặt tôn cách li tôn với môi trường như: nước, ánh sang, không khí…..bảo vệ tôn khỏi bị ăn mòn. 3.2.Khái niệm Sơn là huyền phù của các hạt màu (oxit kim loại hay muối kim loại) trong chất kết dính hữu cơ, ngoài ra còn thêm vào đó các dung môi và các chất pha loãng. Chất kết dính hữu cơ tạo nên trên bề mặt kim loại cần bảo vệ một màng rắn liên tục. 3.3. Thành phần của sơn. Sơn bao gồm hai pha: lỏng và rắn. • Pha lỏng. Pha lỏng gồm dung môi, phụ gia và chất kết dính. - Dung môi: Để hòa tan chất kết dính. Trong quá trình sấy khô dung môi bay đi. Những dung môi sôi ở trên 250oC không bị bay hơi gọi là chất hóa dẻo. Chúng làm cho màng sơn dẻo hơn. - Phụ gia: là những chất cho thêm một lượng nhỏ vào chất kết dính để cải thiện tính chất của nó. 9 Chất tăng nhanh quá trình khô (làm cho sơn mau khô) do tăng nhanh sự oxy hóa chất kết dính. Những chất thường dùng là các muối của các kim loại như Co, Pb, Mn, Zn, Zr. 9 Chất hoạt động bề mặt để cải thiện sự thấm ướt của sơn với bề mặt kim loại. 9 Chất tạo nhũ tương làm cho sơn ở dạng nhũ tương ổn định. 9 Chất phân tán có nhiệm vụ đuổi nước khỏi bề mặt sắc tố (pigment), tăng cường sự bám dính của màng sơn ngay cả khi bề mặt kim loại ẩm ướt. 9 Chất chống lắng. - 11 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn 9 Chất trừ sâu, hà, dầu. - Chất kết dính: Chất kết dính đóng rắn do bị oxy hóa trong môi trường không khí bao quanh bao gồm: 9 Sơn dầu thừơng là các loại dầu thực vật như dầu lanh, dầu tùng, dầu đậu tương… cúng sẽ bị oxy hóa trong môi trường không khí bao quanh và tự đóng rắn. 9 Nhựa ankyt là este của diaxit với rượu đa chức. Ví dụ: axit phtalic COOH – C2H4 – COOH và glyxerin CH2OH – CHOH – CH2OH - Chất kết dính đóng rắn do bốc hơi dung môi bao gồm: 9 Sơn acrylic Axit acrylic (CH2 = CH – COOH) và metarylic (CH2 = C(CH3)COOH) và các este của chúng đều có thể polymer hóa thành nhựa nhiệt dẻo mạch dài polymetyl metacrylat. COOCH3 COOCH3 COOCH3 H2C C CH2 C CH2 C CH2 CH3 CH3 CH3 Metyl metacrylat Polymetyl metacrylat 9 Cao su clo hóa điều chế bằng tác dụng của clo với cao su tự nhiên hoặc tổng hợp. - Chất kết dính đóng rắn do polyme hóa gồm: 9 Nhựa epoxy CH2 CH OH OH CH CH2 O O - 12 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Mạch epoxy Nhóm epoxy đóng rắn do phản ứng với chất đóng rắn (ví dụ amin). 9 Nhựa polyure tan tạo thành do phản ứng của isoxianat lên nhóm OH của rượu hoặc nước: O RNC O + R'OH RNC O R' H Isoxianat Polyol Uretan Uretan lại bị polyme hóa và liên kết chéo thành polyuretan. Ngoài ra còn một số nhựa khác như ure-fomaldehyt, melamin formal-dehyt, silicon… • Pha rắn gồm sắc tố (pigment) và chất độn. ™ Sắc tố được đặc trưng bởi màu sắc, độ hạt, tốc độ lắng, độ đục, sự hòa tan trong nước và chất hữu cơ. Sắc tố có nhiều loại: 9 Sắc tố chống ăn mòn gồm bột kẽm, bột chì, Pb3O4, ZnCrO4. 9 Sắc tố gia cố để có lớp phủ dày và giảm thấm nước gồm ZnO, TiO2, Fe2O3, graphit. ™ Chất độn: Thường dùng là SiO2, SbSO4, bột talc, amiăng, mica, CaCO3. - 13 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn 3.4. Sơ đồ quy trình phủ sơn trên tôn: Xử lý bề mặt Chọn sơn Pha sơn Sơn lần 1 Sơn lần 2 Sấy Thành phẩm • Xử lí bề mặt trước khi sơn. Muốn lớp sơn bám chắc trên kim loại thì phải chuẩn bị tốt bề mặt của nó. Có nhiều nhiều cách để chuẩn bị bề mặt trước khi sơn như dùng dung môi, chải, đánh giấy ráp, phun cát… Ngoài ra trước khi sơn còn phosphat hóa hoặc cromat hóa để tạo lớp nền cho sơn bám dính tốt. • Chọn sơn Tùy thuộc vào mội trường và điều kiện làm việc mà người ta sẽ chọn các loại sơn với mục đích sử dụng khác nhau • Pha sơn. Tiến hành pha sơn với dung môi là các chất bay hơi nhanh, giá rẻ.tùy theo dugn môi và loại sơn mà ta pha ở các tỉ lệ khác nhau có thể là 1/5 đến 1/10 - 14 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn • Sơn lần 1 (sơn lót). Sơn lót là lớp sơn đầu tiên trực tiếp phun lên bề mặt sản phẩm. với mục đích tạo nên lớp màng sơn bám chắc với kim loại nền, tạo điều kiện cho lớp sơn thứ hai dính kết. Những điều kiện lý tưởng của lớp sơn lót là: • Có độ bám chắc, tính dẻo tốt. • Có tính ổn định cao trong khí quyển. • Không thấm nước và hơi nước. • Có tính năng chống gỉ tốt. • Sơn lần hai. Sau khi sơn lần thứ nhất bề mặt có nhiều lỗ châm kim, sơn lần hai trên lớp sơn trước có tác dụng sau đây : 9 Lấp lỗ châm kim. 9 Che phủ vết mài. 9 Làm tăng độ bám chắc với lớp sơn ngoài. 9 Nâng cao độ bóng màng sơn. • Sấy khô màng sơn. Quá trình biến đổi hóa học và vật lý làm cho màng sơn thành màng rắn cứng gọi là sấy khô. Nhiệt độ xấy thường từ 50 đến 120oC. • Thành phẩm. Các tấm tôn theo băng truyền xếm đống được vận chuyển đến kho 3.5. Ưu và nhược điểm của phương pháp. • Ưu điểm. 9 Dễ phủ, rẻ tiền, dễ khôi phục chỗ bị hư hỏng 9 có thể kết hợp với các phương pháp bảo vệ khác 9 Hiệu suất cao, gia công thuận tiện - 15 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn 9 Có thể sơn các sản phẩm có diện tích lớn, khô nhanh, màng sơn phân bố đồng đều, bằng phẳng, bóng. • Nhược điểm: 9 Không chịu được nhiệt độ cao quá 200OC 9 Kém bền trong môi trường nước 9 Độ bền cơ học kém - 16 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Chương 4: BẢO VỆ TÔN KHỎI BỊ ĂN MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ KẼM 4.1.Mục đích: Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, người ta dung nhiều phương pháp khác nhau.Nhưng phương pháp mạ kẽm ( Zn ) còn gọi là lớp mạ anôt được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Lớp mạ anôt nếu kim loại được mạ có điện thế âm hơn so với kim loại nền. 4.2.Giới thiệu chung về kẽm và mạ kẽm: 9 Kẽm là kim loại óng ánh, màu trắng hơi xanh lam. 9 Trọng lượng riêng: 7,14 N/m3 9 Nguyên tử lượng: 65,37 đvC 9 Điện thế tiêu chuẩn: 0,76 V 9 Đương lựơng điện hóa: 1,22 g/Ampe 9 Nhiệt độ nóng chảy: 419,44oC 9 Kẽm có tính giòn, tương đối cứng, đặc biệt khi tăng nhiệt độ đến 100-150oC có tính dẻo tốt, có thể gia công dập, nhưng khi gia nhiệt đến 250oC thì giòn, có lớp bột, nhiệt độ càng cao thì thành lớp kẽm oxit dạng bột càng nhiều. 9 Điện thế tiêu chuẩn của kẽm tương đối âm, đối với sắt thép kẽm là lớp mạ Anôt. Vì vậy trong công nghiệp, kẽm được dùng phổ biến để tạo lớp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn. 9 Độ tinh khiết của lớp mạ kẽm cao, có cấu trúc đồng đều, do đó có tính ổn định hóa học cao. Tính đàn hồi của lớp mạ tốt sau khi bị uốn kéo. Tuy nhiên độcứng thấp, độ bóng kém, trong không khí dễ sinh thành muối kẽm cacbonat có tính kiềm nên dễ bị mờ. Để bề mặt kẽm luôn sáng đẹp, sau khi mạ người ta đem sơn, phôtsphat hóa hay thụ động hóa… làm tăng độ bền của lớp mạ. 9 Kẽm là kimloại thông dụng để bảo vệ sắt thép và hợp kim của chúng, sản phẩm mạ kẽm được dùng cho các công trình xây dựng: các tấm tôn lợp, đường dây điện thoại, đường sắt, các ống nước,cống nước, các thiết bị dặt ngoài trời. - 17 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn Trong môi trường xâm thực, lớp mạ kẽm phải dày. Trong điều kiệ