Nghiên cứu xác định thành phần hợp lý của hợp kim cơ sở kẽm làm anốt hy sinh để bảo vệ thép trong môi trường nước biển
- 84 trang
- file .pdf
Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O
TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI
---------------------------------------
\\ [[
Ng« Minh TiÕn
Nghiªn cøu x¸c ®Þnh thµnh phÇn hîp lý cña hîp kim
c¬ së kÏm lµm anèt hy sinh ®Ó b¶o vÖ thÐp
trong m«i tr−êng n−íc biÓn
Chuyªn ngành : Khoa häc vµ Kü thuËt VËt liÖu kim lo¹i
LUËN V¡N TH¹C SÜ KHOA HäC
…......................................
Khoa häc vµ kü thuËt vËt liÖu kim lo¹i
NG¦êI H¦íNG dÉn KHOA HäC :
1. TS Lª ThÞ Hång Liªn
2. PGS - TS NguyÔn V¨n T−
Hµ Néi - 2012
i
Lêi c¶m ¬n
T«i xin bÇy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c cña m×nh ®Õn PGS-TS NguyÔn V¨n T− vµ
TS Lª ThÞ Hång Liªn nh÷ng ng−êi ®· chØ ®¹o h−íng dÉn rÊt tËn t×nh, cô thÓ vÒ mÆt
khoa häc trong suèt qu¸ tr×nh t«i thùc hiÖn luËn v¨n nµy.
T«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Õn c¸c thÇy, c¸c c« trong bé m«n VËt liÖu häc, Xö lý
nhiÖt vµ BÒ mÆt vµ c¸c c¸n bé TT Nghiªn cøu ăn mßn & bảo vệ KL nh÷ng ng−êi ®·
trang bÞ cho t«i kiÕn thøc vµ ph−¬ng ph¸p häc tËp, nghiªn cøu.
Cuèi cïng, t«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Õn c¸c ®ång chÝ l·nh ®¹o ViÖn Hãa häc-
VËt liÖu, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Qu©n sù, c¸m ¬n c¸c b¹n bÌ, ®ång nghiÖp ®·
lu«n gióp ®ì, ñng hé vµ ®éng viªn t«i, t¹o ®iÒu kiÖn tèt nhÊt vÒ thêi gian ®Ó t«i cã
thÓ hoµn thµnh tèt khãa häc cña m×nh.
Hµ Néi, ngµy 26 th¸ng 12 n¨m 2012
T¸c gi¶
Ng« Minh TiÕn
ii
Lêi cam ®oan
T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, c¸c
kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc c«ng bè trong bÊt kú mét
c«ng tr×nh nµo kh¸c.
Hµ Néi, ngµy 26 th¸ng 12 n¨m 2012
T¸c gi¶
Ng« Minh TiÕn
iii
Môc lôc
Trang
Trang phô b×a………………………………………………………..... i
Lêi c¶m ¬n................................................................................................ ii
Lêi cam ®oan.......................................................................................... iii
Môc lôc...................................................................................................... 1
Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t………………………....... 3
Danh môc c¸c b¶ng……………………………………………….... 4
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ…………………………………… 5
Më ®Çu………………………………………………………………….... 7
Ch−¬ng 1. TỔNG QUAn…………………………………………..... 9
1.1. C¬ chÕ cña ¨n mßn ®iÖn hãa………………………….......... 10
1.2. §Æc ®iÓm ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn...................... 13
1.2.1. N−íc biÓn………………………………………………….. 13
1.2.2. Tèc ®é ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn.......................... 14
1.2.3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ¨n mßn trong n−íc biÓn............... 14
1.3. Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn trong m«i tr−êng 21
n−íc biÓn...............................................................................
1.3.1. B¶o vÖ chñ ®éng.................................................................... 21
1.3.2. B¶o vÖ bÞ ®éng....................................................................... 22
1.4. B¶o vÖ b»ng ph−¬ng ph¸p dïng anèt hy sinh (protector)…... 23
1.4.1. C¬ së cña ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn b»ng anèt hy 23
sinh…………………………………………………….........
1.4.2. C¸c yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi vËt liÖu lµm protector................. 23
1.4.3. Nh÷ng chØ tiªu ®Ó ®¸nh gi¸ vµ chÕ t¹o protector................... 25
1.5. Sö dông kÏm vµ hîp kim kÏm ®Ó chÕ t¹o anèt hy sinh 26
1.5.1. §Æc tÝnh chung cña kÏm vµ hîp kim kÏm…………………. 26
1.5.2. Hîp kim kÏm lµm protector................................................... 29
1.5.3. C«ng nghÖ nÊu luyÖn hîp kim kÏm lµm protector………..... 36
1.5.4. Rãt ®óc vµ xö lý nhiÖt…………………………………........ 39
CHƯƠNG 2. PH¦¥NG PH¸P nghiªn cøu………………………... 42
2.1. Ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o hîp kim………………………............ 42
2.2. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu……………………………………..... 42
2.3. B¶ng phèi liÖu ®Ó chÕ t¹o protector....................................... 43
1
2.4. ThiÕt bÞ sö dông nghiªn cøu………………………….......... 43
2.5. Ph−¬ng ph¸p nÊu luyÖn protector………………………….. 45
2.6. Ph−¬ng ph¸p ®óc protector……………………………........ 45
2.7. Ph−¬ng ph¸p n©ng cao chÊt l−îng cña protector nÒn kÏm 48
sau khi ®óc……………………………………………….....
2.8. Kh¶o s¸t chÊt l−îng protector………………………............ 48
2.8.1. X¸c ®Þnh thµnh phÇn protector……………………………... 48
2.8.2. X¸c ®Þnh tæ chøc vµ pha cña protector……………………... 48
2.8.3. X¸c ®Þnh ®iÖn thÕ E vµ dung l−îng ®iÖn hãa Q…………..... 49
CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN……………………………... 53
3.1. X¸c ®Þnh thµnh phÇn hîp lý lµm protector cë së kÏm…....... 53
3.1.1. ¶nh h−ëng cña nh«m (Al) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng sè 57
®iÖn hãa………………………………………………...
3.1.2. ¶nh h−ëng cña cadimi (Cd) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng 61
sè ®iÖn hãa………………………………………………...
3.1.3. ¶nh h−ëng cña ®ång (Cu) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng sè 65
®iÖn hãa……………………………………………….........
3.2. ¶nh h−ëng cña tèc ®é nguéi khi ®óc hîp kim lµm 68
protector...............................................................................
3.3. ¶nh h−ëng cña chÕ ®é nhiÖt luyÖn ®Õn chÊt l−îng 71
protector………………………………………………….....
KÕt luËn ………………...…………………………................................ 77
KiÕn nghÞ………………………………………………………………... 78
Tµi liÖu tham kh¶o…………………………….................................. 79
2
Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t
- HSLA Hîp kim thÊp chÊt l−îng cao
- TCVN Tiªu chuÈn ViÖt Nam
- ASTM Tiªu chuÈn cña Mü
- ptn Tèc ®é th©m nhËp, mm/n¨m hoÆc cm/n¨m
- pH §é axÝt cña dung dÞch
-Q Dung l−îng ®iÖn hãa cña protector, A.h/kg
-E §iÖn thÕ, V (mV)
-η HiÖu suÊt ®iÖn hãa cña protector, %
- mpro Khèi l−îng cña protector, kg
- ipro MËt ®é dßng hßa tan cña protector, A/dm2
-S DiÖn tÝch bÒ mÆt lµm viÖc trung b×nh, dm2
-t Thêi gian b¶o vÖ cña protector, h
-A Nguyªn tö l−îng cña kim lo¹i lµm protector
- C/A Tû lÖ diÖn tÝch cña hai kim lo¹i catèt vµ anèt
- ppm Tû lÖ phÇn triÖu
- ΓOCT Tiªu chuÈn cña Nga
-T NhiÖt ®é, oC
- CO 2 §é hßa tan cña oxy, ppm hoÆc ml/l
3
Danh môc c¸c b¶ng
Thø tù Néi dung Trang
B¶ng 1.1. Tèc ®é th©m nhËp thÐp cacbon trong n−íc biÓn thay ®æi 14
theo thêi gian
B¶ng 1.2. Tèc ®é ¨n mßn mét vµi lo¹i vËt liÖu trong n−íc biÓn 14
B¶ng 1.3. §é mÆn vµ khèi l−îng riªng cña n−íc biÓn ë mét sè vïng biÓn 16
B¶ng 1.4. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn [Ω-1m-1.10-3] phô thuéc 17
vµo nång ®é muèi vµ nhiÖt ®é
B¶ng 1.5. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo hµm l−îng oxy hßa tan trong 17
n−íc biÓn
B¶ng 1.6. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo tû lÖ diÖn tÝch C/A 19
B¶ng 1.7. Tèc ®é ¨n mßn galvanic trong n−íc biÓn 20
B¶ng 1.8. Mét sè vËt liÖu lµm protector th«ng dông 24
B¶ng 1.9. Thµnh phần hãa học một số m¸c kẽm nguyªn chất kỹ thuật 28
do Liªn X« (cũ) sản xuất
B¶ng 1.10. Thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt ®iÖn hãa cña hîp kim Zn - Al - Me 35
B¶ng 1.11. Tiªu chuÈn cña hîp kim kÏm lµm protector 36
B¶ng 2.1. Thµnh phÇn vµ c¸c t¹p chÊt trong kÏm 42
B¶ng 2.2. Thµnh phÇn vµ c¸c t¹p chÊt trong nh«m 42
B¶ng 2.3. B¶ng phèi liÖu chÕ t¹o protector 43
B¶ng 2.4. ChØ tiªu kü thuËt cña thiÕt bÞ Autolab PG 302 50
B¶ng 3.1. Thµnh phÇn c¸c nguyªn tè hîp kim trong mÉu ®óc 53
B¶ng 3.2. L−îng ch¸y hao c¸c nguyªn tè hîp kim 54
B¶ng 3.3. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector (M1, M2, M5) 60
B¶ng 3.4. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector (M4, M6) 63
B¶ng 3.5. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector M3 67
B¶ng 3.6. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector M2 (khu«n 70
kim lo¹i vµ khu«n c¸t)
B¶ng 3.7. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc khu«n 75
c¸t, xö lý nhiÖt ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau
4
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ
Thø tù Néi dung Trang
H×nh 1.1. Sù ph©n bè thiÖt h¹i theo c¸c d¹ng ¨n mßn 9
H×nh 1.2. S¬ ®å nguyªn lý ¨n mßn ®iÖn hãa 10
H×nh 1.3. Sơ đồ bảo vệ bằng protector 23
H×nh 1.4. Giản đồ trạng th¸i Zn – Al 32
H×nh 1.5. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng nh«m ®Õn 33
H×nh 2.1. Ph«i kÏm s¹ch 99,995% 42
H×nh 2.2. Lß ®iÖn trë vµ nåi lß 43
H×nh 2.3. KÝnh hiÓn vi quang häc 44
H×nh 2.4. ThiÕt bÞ Autolab PG302 44
H×nh 2.5. ThiÕt bÞ ph©n tÝch nhiÖt vi sai 44
H×nh 2.6. ¶nh mÉu ®óc 46
H×nh 2.7. S¬ ®å c«ng nghÖ nÊu ®óc hîp kim kÏm lµm protector 47
H×nh 2.8. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ x¸c ®Þnh dung l−îng ®iÖn hãa cña anèt 50
H×nh 3.1. Gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt vi sai mÉu anèt Zn (M2) 54
H×nh 3.2. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M0 55
H×nh 3.3. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M0 56
H×nh 3.4. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M1 57
H×nh 3.5. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 57
H×nh 3.6. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M5 58
H×nh 3.7. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M1 59
H×nh 3.8. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 59
H×nh 3.9. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M5 60
H×nh 3.10. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M4 61
H×nh 3.11. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M6 62
H×nh 3.12. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M4 63
H×nh 3.13. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M6 63
H×nh 3.14. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M3 65
5
H×nh 3.15. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M3 67
H×nh 3.16. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu hîp kim kÏm M2 ë hai chÕ ®é 69
®óc kh¸c nhau
H×nh 3.17. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng 70
khu«n c¸t
H×nh 3.18. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 71
nung ®Õn 340oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.19. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 72
nung ®Õn 350oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.20. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 73
nung ®Õn 360oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.21. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 73
nung ®Õn 380oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.22. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 74
c¸t, ®−îc nung ®Õn 340oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.23. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 74
c¸t, ®−îc nung ®Õn 350oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.24. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 75
c¸t, ®−îc nung ®Õn 360oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.25. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 75
c¸t, ®−îc nung ®Õn 380oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.26. S¬ ®å c«ng nghÖ xö lý nhiÖt hîp lý cña mÉu hîp kim kÏm 76
M2 ®óc b»ng khu«n c¸t lµm protector
6
më ®Çu
Trong c¸c d¹ng ph¸ hñy kim lo¹i kh¸c nhau, th× ph¸ hñy do t¸c dông hãa häc
hoÆc ®iÖn hãa cña m«i tr−êng ¨n mßn lªn kim lo¹i chiÕm vÞ trÝ hµng ®Çu. D¹ng ph¸
hñy nµy th−êng ®−îc gäi lµ sù ¨n mßn. ¡n mßn kim lo¹i g©y tæn thÊt lín cho nÒn
kinh tÕ quèc d©n nãi chung còng nh− trong quèc phßng nãi riªng [1, 3, 7, 23, 24].
¡n mßn kim lo¹i ph¸ ho¹i nhanh chãng c¸c c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i
tr−êng n−íc biÓn nh−: c¸c c«ng tr×nh dÇu khÝ, c¶ng, tµu biÓn, ®−êng èng dÉn, ...ë
n−íc ta ®· cã nhiÒu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ c¸c c«ng tr×nh
kim lo¹i [2, 4, 5, 8, 12, 18, 27, 28, 29]. §Æc biÖt lµ c¸c c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i
tr−êng ¨n mßn m¹nh (n−íc biÓn). Trong c¸c ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn vµ b¶o vÖ
c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i tr−êng n−íc biÓn th× ph−¬ng ph¸p sö dông protector
lµm anèt hy sinh ®−îc cho lµ ®¬n gi¶n vµ ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ cao nhÊt [1, 3, 7].
C¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ c«ng tr×nh biÓn b»ng
protector nh−: ®Ò tµi nghiªn cøu chÕ t¹o protector nÒn nh«m vµ nÒn kÏm ®Ó b¶o vÖ
c¸c c«ng tr×nh biÓn vµ giµn khoan cè ®Þnh cña Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi vµ
cña Trung t©m nghiªn cøu ¨n mßn ViÖn khoa häc VËt liÖu [4, 22]; ®Ò tµi nghiªn cøu
chÕ t¹o protector nÒn magiª cña Häc ViÖn Kü thuËt Qu©n sù ®Ó b¶o vÖ chèng ¨n
mßn cho tµu chiÕn cã vá ®Æc biÖt. Tuy nhiªn ch−a cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu
¶nh h−ëng c¸c nguyªn tè hîp kim cña protector c¬ së kÏm ®−îc nÊu luyÖn tõ c¸c
nguyªn vËt liÖu vµ thiÕt bÞ sö dông t¹i ViÖn Hãa häc - VËt liÖu, Bé Quèc phßng. §©y
lµ ®Ò tµi thiÕt thùc trong viÖc chÕ t¹o protector nÒn kÏm, lo¹i ®−îc sö dông nhiÒu
trong c¸c c«ng tr×nh biÓn, tµu biÓn vµ ®Æc biÖt lµ trong Qu©n chñng H¶i qu©n.
Lµ mét c¸n bé lµm viÖc trong qu©n ®éi t«i nhËn thÊy viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o
protector nÒn kÏm ®Ó b¶o vÖ c¸c c«ng tr×nh biÓn vµ ®Æc biÖt lµ tµu biÓn lµ thiÕt thùc
vµ cã tÝnh kh¶ thi cao. §−îc sù h−íng dÉn vµ gióp ®ì cña PGS-TS NguyÔn V¨n T−
vµ TS Lª ThÞ Hång Liªn, t«i m¹nh d¹n nhËn ®Ò tµi: “Nghiªn cøu x¸c ®Þnh thµnh
phÇn hîp lý cña hîp kim c¬ së kÏm lµm anèt hy sinh ®Ó b¶o vÖ thÐp trong m«i
tr−êng n−íc biÓn”.
LuËn v¨n gåm ba phÇn:
PhÇn 1: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
7
- Tæng quan vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ kim lo¹i. Trong ®ã nªu lªn nguyªn nh©n
g©y ra ¨n mßn, c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ¨n mßn, tèc ®é ¨n mßn vµ c¸c ph−¬ng
ph¸p chèng ¨n mßn hiÖn nay.
- Nªu ra mét sè lo¹i hîp kim lµm protector, chñ yÕu tËp trung nhÊn m¹nh vµo
c¸c m¸c hîp kim nÒn kÏm lµm anèt hy sinh.
- §−a ra c¬ së lý thuyÕt vÒ c«ng nghÖ nÊu ®óc hîp kim kÏm lµm protector.
PhÇn 2: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
- ChÕ t¹o c¸c vËt liÖu lµm protector nÒn kÏm kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn c¸c
nguyªn tè hîp kim hãa (Al, Cd, Cu).
- §−a ra quy tr×nh nÊu hîp kim kÏm chÕ t¹o protector.
- X¸c ®Þnh thµnh phÇn c¸c nguyªn tè trong protector.
- X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector.
- C¸c ph−¬ng ph¸p n©ng cao chÊt l−îng protector.
PhÇn 3: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña tõng nguyªn tè Al, Cd, Cu ®Õn chÊt l−îng
cña protector.
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña tèc ®é lµm nguéi ®Õn chÊt l−îng cña protector.
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ xö lý nhiÖt ®Õn chÊt l−îng
cña protector.
- KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ.
Trong kho¶ng thêi gian quy ®Þnh, t«i ®· hoµn thµnh ®−îc c¸c néi dung ®Ò ra
®èi víi luËn v¨n th¹c sü khoa häc. Tuy nhiªn, ®Ò tµi cÇn tiÕp tôc ph¶i ®−îc nghiªn
cøu hoµn thiÖn h¬n, nhÊt lµ c«ng t¸c thö nghiÖm thùc tÕ ®ßi hái ph¶i cã thêi gian vµ
®iÒu kiÖn.
8
Ch−¬ng 1
tæng quan
¨n mßn kim lo¹i ®−îc ®Þnh nghÜa lµ sù ph¸ huû vËt liÖu kim lo¹i hay hîp kim
do t¸c dông hãa häc hoÆc ®iÖn hãa víi m«i tr−êng xung quanh [7].
Cã hai lo¹i ¨n mßn kim lo¹i
- ¡n mßn hãa häc - lµ qu¸ tr×nh ph¸ hñy kim lo¹i d−íi t¸c dông cña c¸c chÊt khÝ cã
ho¹t tÝnh cao víi kim lo¹i. ¡n mßn hãa häc x¶y ra do t¸c dông trùc tiÕp cña m«i
tr−êng víi bÒ mÆt kim lo¹i, s¶n phÈm cña ¨n mßn s¶n sinh ra ngay n¬i ph¶n øng.
Qu¸ tr×nh ¨n mßn x¶y ra b»ng c¸ch trao ®æi ®iÖn tö trùc tiÕp gi÷a kim lo¹i vµ c¸c
chÊt oxy hãa nh− O2, Cl2, S2,... VÝ dô khi nung kim lo¹i ë nhiÖt ®é cao trong kh«ng
khÝ nã bÞ oxy hãa:
y
xMe + O2 → MexOy (Me lµ kim lo¹i) (1.1)
2
- ¡n mßn ®iÖn hãa lµ sù ph¸ huû kim lo¹i hoÆc hîp kim do t−¬ng t¸c ®iÖn hãa víi
m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly xung quanh. Trong qu¸ tr×nh ®ã, ph¶n øng x¶y ra ë 2 vïng
cã thÓ c¸ch xa nhau vµ lµm ph¸t sinh dßng ®iÖn ch¹y qua m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly.
ë c¸c n−íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn, ng−êi ta −íc tÝnh thiÖt h¹i do ¨n mßn
chiÕm kho¶ng 4,2% tæng s¶n phÈm quèc néi. ThiÖt h¹i nµy cßn lín h¬n rÊt nhiÒu
nÕu tÝnh cho c¶ chi phÝ b¶o d−ìng, thay thÕ vËt liÖu vµ hËu qu¶ cña ¨n mßn lµm «
nhiÔm m«i tr−êng vµ mÊt c©n b»ng sinh th¸i. ViÖt Nam cã khÝ hËu nãng, Èm, tû lÖ
vËt liÖu kim lo¹i sö dông cßn cao nªn thiÖt h¹i ¨n mßn cßn cã thÓ cao h¬n n÷a. Theo
thèng kª, tû lÖ thiÖt h¹i ph©n bè theo c¸c d¹ng ¨n mßn nh− ë h×nh 1.1 [1].
¡n mßn ®Òu ¡n mßn d−íi øng suÊt
34% 28%
KÕt hîp nhiÒu d¹ng
¨n mßn kh¸c 12%
11% 6% ¡n mßn mái
4%5%
¡n mßn kh¸c
¡n mßn tinh giíi ¡n mßn côc bé ¡n mßn mµi mßn
H×nh 1.1. Sù ph©n bè thiÖt h¹i theo c¸c d¹ng ¨n mßn
9
Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp: X©y dùng, c«ng tr×nh giao
th«ng, khai th¸c dÇu khÝ, c«ng nghiÖp ®ãng tµu, . . . th× viÖc b¶o vÖ kim lo¹i khái bÞ
¨n mßn ®Æc biÖt c¸c kÕt cÊu cÇu c¶ng, vá tµu vµ c¸c chi tiÕt trªn tµu biÓn, ®−êng èng
dÉn dÇu, khÝ ph¶i ®−îc quan t©m ë møc ®é cao. Trong ®ã, ph¸ huû do ¨n mßn ®iÖn
hãa lµ d¹ng chñ yÕu vµ phæ biÕn nhÊt [9, 13, 17, 25].
1.1. C¬ chÕ cña ¨n mßn ®iÖn hãa [7]
Quan s¸t hai vïng bÊt kú n»m c¹nh nhau cña kim lo¹i trong m«i tr−êng ¨n
mßn (h×nh 1.2) ta thÊy cã ba qu¸ tr×nh chÝnh x¶y ra:
- Qu¸ tr×nh anèt: Lµ qu¸ tr×nh oxy hãa ®iÖn hãa,
trong ®ã kim lo¹i chuyÓn vµo dung dÞch d−íi d¹ng
ion vµ gi¶i phãng ®iÖn tö; kim lo¹i bÞ ¨n mßn theo
ph¶n øng:
Me → Me + n + ne ⎯+⎯ ⎯→ Me + n .mH 2 O + ne (1.2)
mH 2O
Trong qu¸ tr×nh nµy, kim lo¹i bÞ mÊt ®iÖn tö H×nh 1.2. S¬ ®å nguyªn lý ¨n
mßn ®iÖn hãa
(qu¸ tr×nh cho ®iÖn tö), nã bÞ oxy hãa hay bÞ ¨n mßn.
- Qu¸ tr×nh catèt: Lµ qu¸ tr×nh khö ®iÖn hãa c¸c t¸c nh©n cã mÆt trong m«i tr−êng,
trong ®ã c¸c chÊt oxy hãa (Ox) nhËn ®iÖn tö do kim lo¹i bÞ ¨n mßn gi¶i phãng ra:
Ox + ne → Red (1.3)
Trong ®ã, Red lµ d¹ng chÊt khö, Ox lµ d¹ng chÊt oxy hãa, th−êng lµ H+ hoÆc O2.
* Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i víi chÊt khö ph©n cùc hydro chÝnh lµ qu¸ tr×nh ion H+
nhËn ®iÖn tö vµ thãat ra khái khu vùc ph¶n øng ( Ox lµ H+). Trong thùc tÕ, qu¸ tr×nh
¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro kh¸ phæ biÕn trong m«i tr−êng axÝt. Ph−¬ng tr×nh ph¶n
øng nh− sau:
2H+ + 2e → H2 ↑ (1.4)
Qu¸ tr×nh catèt cña sù khö ph©n cùc hy®ro th−êng qua c¸c giai ®o¹n sau:
1) KhuÕch t¸n vµ ®iÖn chuyÓn H3O+ ®Õn ®iÖn cùc.
2) T¹i catèt, c¸c ion hy®roxyt bÞ khö thµnh nguyªn tö hy®ro cã kh¶ n¨ng hÊp phô
trªn bÒ mÆt kim lo¹i gäi lµ hy®ro hÊp phô:
H3O+ + e → H hp + H2O (1.5)
10
3) Mét phÇn hy®ro nguyªn tö t¹o thµnh trong ph¶n øng (1.5) hßa tan vµ khuÕch t¸n
s©u vµo trong kim lo¹i vïng catèt.
4) PhÇn lín c¸c nguyªn tö hy®ro hÊp phô tæ hîp l¹i thµnh ph©n tö khÝ
H hp + H hp → H2 ↑ (1.6)
HoÆc khö hÊp phô ®iÖn hãa: H hp + H3O+ + e → H2 ↑ + H2O (1.7)
5) KhuÕch t¸n vµ vËn chuyÓn ®èi l−u H2 khái catèt vµ dung dÞch ®Ó chuyÓn vµo
kh«ng khÝ.
6) TËp hîp l−îng lín hy®ro ®Ó t¹o thµnh bät khÝ.
H2 + H2 + ...... → nH2 ↑ (1.8)
Qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro bÞ chËm chñ yÕu do tèc ®é cña ph¶n
øng khö ë catèt chËm, lµm cho bÒ mÆt kim lo¹i d− ®iÖn tö, do ®ã thÕ ®iÖn cùc catèt
chuyÓn vÒ phÝa ©m h¬n. Nãi c¸ch kh¸c, qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro bÞ
khèng chÕ chñ yÕu do ph©n cùc ®iÖn hãa. Trong tr−êng hîp nµy, c¬ cÊu catèt ®−îc
thiÕt lËp gi÷a bÒ mÆt kim lo¹i ë catèt ®−îc hÊp phô hy®ro víi ion H+ trong dung
dÞch. V× vËy, trÞ sè ph©n cùc ®iÖn hãa trong qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro
®−îc gäi lµ qu¸ thÕ hy®ro (η H ). Qu¸ thÕ hy®ro phô thuéc vµo mËt ®é dßng catèt,
2
b¶n chÊt cña vËt liÖu ®iÖn cùc catèt, tr¹ng th¸i bÒ mÆt catèt, ®é pH vµ nhiÖt ®é dung
dÞch chÊt ®iÖn ly. Khi qu¸ thÕ hy®ro cµng lín th× hiÖu ®iÖn thÕ ®iÖn cùc gi÷a catèt vµ
anèt cµng nhá, c−êng ®é dßng ¨n mßn cµng nhá do ®ã tèc ®é ¨n mßn sÏ nhá.
* Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i mµ ph¶n øng khö ph©n cùc catèt do ion hãa oxy th× gäi
lµ qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc oxy (Ox lµ O2). Khö ph©n cùc oxy cã thÓ x¶y ra
trong c¸c m«i tr−êng kiÒm, m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly trung tÝnh vµ dung dÞch axÝt h÷u
c¬ yÕu.
Qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc oxy gåm c¸c giai ®o¹n chÝnh sau:
1) Oxy trong kh«ng khÝ hßa tan vµo dung dÞch ®iÖn ly qua bÒ mÆt ph©n c¸ch dung
dÞch ®iÖn ly, kh«ng khÝ.
2) Oxy hßa tan trong dung dÞch ®−îc chuyÓn s©u vµo dung dÞch ®iÖn ly nhê chuyÓn
®éng ®èi l−u tù nhiªn hoÆc ®èi l−u c−ìng bøc ( khuÊy, dßng ch¶y,...) cña dung dÞch
®iÖn ly.
11
3) Oxy hßa tan trong dung dÞch ®−îc chuyÓn vËn qua líp dung dÞch cã tèc ®é dung
dÞch thay ®æi. Sù vËn chuyÓn nµy lµ nhê chuyÓn ®éng cña líp ®iÖn ly.
4) Oxy hßa tan trong dung dÞch khuÕch t¸n qua líp chÊt láng n»m s¸t ®iÖn cùc. Líp
chÊt láng nµy kh«ng chuyÓn ®éng gäi lµ líp khuÕch t¸n.
5) Ion hãa oxy x¶y ra gåm nhiÒu giai ®o¹n phøc t¹p:
Trong m«i tr−êng axÝt h÷u c¬ yÕu, qu¸ tr×nh ion hãa oxy x¶y ra theo
ph¶n øng sau:
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (1.9)
Trong m«i tr−êng trung tÝnh hoÆc kiÒm, qu¸ tr×nh ion hãa oxy x¶y ra theo
ph¶n øng sau:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH- (1.10)
6) Sau khi ion hãa trong m«i tr−êng kiÒm th× qu¸ tr×nh khuÕch t¸n cña ion OH- vµo
s©u trong lßng dung dÞch ®iÖn ly.
Trong 6 giai ®o¹n trªn th× giai ®o¹n 4 vµ 5 lµ khã h¬n c¶. Do vËy, 2 giai ®o¹n
nµy khèng chÕ qu¸ tr×nh khö ph©n cùc oxy.
Khi trong dung dÞch cã chøa ion cña c¸c kim lo¹i cã ®iÖn thÕ ®iÖn cùc d−¬ng
h¬n kim lo¹i bÞ ¨n mßn th× qu¸ tr×nh catèt cã thÓ lµ:
,
Men + + n , e → Me (1.11)
, ,,,
HoÆc Men + + n ,, e → Men + (1.12)
Trong ®ã: n, = n,, + n,,,.
- Qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn ®iÖn tö, c¸c ion ©m vµ d−¬ng:
Khi hai qu¸ tr×nh ®iÖn cùc x¶y ra th× ®ång thêi c¸c ®iÖn tö do kim lo¹i bÞ ¨n
mßn gi¶i phãng ra dÞch chuyÓn tõ n¬i cã ph¶n øng anèt tíi n¬i cã ph¶n øng catèt.
Trong dung dÞch chÊt ®iÖn ly còng cã sù dÞch chuyÓn cña c¸c ion (cation vµ anion)
theo chiÒu ng−îc l¹i. Nh− vËy, qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i x¶y ra ®ång thêi víi sù
xuÊt hiÖn dßng ®iÖn gi÷a hai vïng kh¸c nhau cña thanh kim lo¹i gäi lµ dßng ®iÖn ¨n
mßn. Vïng kim lo¹i bÞ tan ®ãng vai trß anèt, cßn vïng kia ®ãng vai trß lµ catèt
(kh«ng bÞ tan).
Tõ nh÷ng tr×nh bµy ë trªn rót ra nhËn xÐt:
12
+ Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i (1.2) chØ cã thÓ x¶y ra khi cã mÆt cña c¸c t¸c nh©n khö
ph©n cùc thùc hiÖn ë c¸c ph¶n øng (1.3).
+ Muèn khèng chÕ qu¸ tr×nh ¨n mßn ®Ó b¶o vÖ kim lo¹i th× chØ cÇn khèng chÕ mét
trong hai qu¸ tr×nh trªn. Kh«ng cã qu¸ tr×nh “nhËn ®iÖn tö” th× còng kh«ng cã qu¸
tr×nh “cho ®iÖn tö”. §©y chÝnh lµ c¬ së c¬ b¶n ®Ó lùa chän c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt
chèng ¨n mßn ®iÖn hãa nh− thô ®éng kim lo¹i, b¶o vÖ catèt, s¬n phñ bÒ mÆt kim
lo¹i c¸ch ly víi m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly, dïng c¸c chÊt øc chÕ,…[1, 7, 14].
NhiÖt ®éng häc còng ®· chøng minh ®−îc r»ng ®iÒu kiÖn ®Ó qu¸ tr×nh ®iÖn
cùc tù x¶y ra lµ n¨ng l−îng tù do cña hÖ thèng:
∆ZT = - n.F.ET < 0 (1.13)
Trong ®ã:
∆ZT- lµ biÕn thiªn n¨ng l−îng tù do cña qu¸ tr×nh ¨n mßn;
n- sè ®−¬ng l−îng gram;
F- h»ng sè Faraday, F = 96500 C/mol;
ET- søc ®iÖn ®éng cña nguyªn tè ¨n mßn thuËn nghÞch, ET = (ϕK)m-(ϕA)m;
(ϕK)m- ®iÖn thÕ ®iÖn cùc thuËn nghÞch cña catèt, ë ®iÒu kiÖn lµm viÖc;
(ϕA)m- ®iÖn thÕ ®iÖn cùc thuËn nghÞch cña anèt, ë ®iÒu kiÖn lµm viÖc.
V× n > 0, F > 0 nªn ®iÒu kiÖn ®Ó biÓu thøc (1.13) tháa m·n lµ ET > 0 nghÜa lµ:
(ϕK)m > (ϕA)m (1.14)
Tõ bÊt ®¼ng thøc (1.14) ta rót ra kÕt luËn : Trong hÖ thèng ¨n mßn ®iÖn hãa,
cùc nµo cã ®iÖn thÕ ®iÖn cùc ©m h¬n ®ãng vai trß anèt vµ bÞ ¨n mßn. Cùc nµo cã
®iÖn thÕ ®iÖn cùc d−¬ng h¬n ®ãng vai trß catèt vµ kh«ng bÞ ¨n mßn (®−îc b¶o vÖ).
1.2. §Æc ®iÓm ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn
1.2.1. N−íc biÓn
N−íc biÓn lµ dung dÞch t−¬ng ®èi ®ång nhÊt cã chøa nhiÒu lo¹i muèi, chñ yÕu
lµ NaCl, MgCl2. Ngoµi ra, trong n−íc biÓn cßn chøa nhiÒu lo¹i kho¸ng chÊt kh¸c cã
t¸c dông t¨ng tèc ®é ¨n mßn tíi møc cã thÓ xem n−íc biÓn chøa tíi 0,5N NaCl. C¸c
nghiªn cøu cho thÊy, víi nång ®é 0,5N NaCl th× tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn ®¹t
gi¸ trÞ cùc ®¹i, bÊt kú nång ®é nµo cao h¬n hoÆc thÊp h¬n th× tèc ®é ¨n mßn ®Òu nhá
13
h¬n. Ngoµi muèi hßa tan, ph¶i kÓ ®Õn nång ®é oxy hßa tan trong n−íc biÓn, tèc ®é
n−íc, nhiÖt ®é n−íc biÓn, c¸c yÕu tè vi sinh vËt vµ sinh vËt biÓn,... ®Òu ¶nh h−ëng
®Õn tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn [1].
1.2.2. Tèc ®é ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn
Tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn th−êng ®−îc biÓu thÞ b»ng tèc ®é th©m nhËp
Ptn. ThÐp cacbon trong n−íc biÓn Ptn kho¶ng 0,13 mm/n¨m. Tèc ®é nµy kh«ng ®æi
trong kho¶ng 8 n¨m. Sau 8 n¨m, tèc ®é nµy gi¶m xuèng ®Òu ®Æn mçi n¨m kho¶ng
25µm (b¶ng 1.1) trong vµi n¨m sau ®ã t−¬ng ®èi æn ®Þnh [1].
B¶ng 1.1. Tèc ®é th©m nhËp thÐp cacbon trong n−íc biÓn thay ®æi theo thêi gian
N¨m thø 1 2 3 ... 8 9 10 11 ...
Ptn, µm/n¨m 130 130 130 130 130 105 80 55 55
C¸c nghiªn cøu khoa häc vÒ tèc ®é ¨n mßn cña nhiÒu lo¹i thÐp HSLA trong
thêi gian 10 n¨m ®Çu còng t−¬ng tù nh− thÐp cacbon, Ptn kho¶ng 130 µm/n¨m. Cã
thÓ nãi thÐp cacbon th«ng dông còng nh− thÐp HSLA cã hîp kim hãa thÊp b»ng Cr
vµ Cu ®Òu kh«ng bÒn trong m«i tr−êng n−íc biÓn. B¶ng 1.2 cho thÊy, chØ cã thÐp
chøa Mo lµ t−¬ng ®èi bÒn ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn, cßn c¸c kim lo¹i
kh¸c ®Òu bÞ ¨n mßn kh¸ nhanh [1].
B¶ng 1.2. Tèc ®é ¨n mßn mét vµi lo¹i vËt liÖu trong n−íc biÓn
VËt liÖu Tèc ®é ¨n mßn, µm/n¨m trong thêi gian
1,5 n¨m 2,5 n¨m 4,5 n¨m 8,5 n¨m
ThÐp cacbon x©y dùng 120 105 85 70
ThÐp HSLA (corten) 105 110 95 80
HSLA chøa Mn-0,75Ni-0,45Cu 110 95 75 65
HSLA chøa 1,8Ni-0,81Cu 135 115 90 80
HSLA chøa 2,6Cr-0,52Mo 35 40 40 33
1.2.3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ¨n mßn trong n−íc biÓn
¡n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn chñ yÕu x¶y ra theo c¬ chÕ ¨n mßn ®iÖn
hãa. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ¨n mßn ®iÖn hãa nãi chung chia lµm 2 lo¹i:
- C¸c yÕu tè thuéc vÒ b¶n chÊt kim lo¹i gäi lµ c¸c yÕu tè bªn trong.
- C¸c yÕu tè thuéc vÒ m«i tr−êng gäi lµ yÕu tè bªn ngoµi.
a) C¸c yÕu tè bªn trong
14
* §é bÒn nhiÖt ®éng cña kim lo¹i
Nguyªn nh©n ®Çu tiªn dÉn ®Õn ¨n mßn kim lo¹i lµ do kim lo¹i ®ã kh«ng bÒn
vÒ nhiÖt ®éng. §Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph¸ hñy kim lo¹i cã tù x¶y ra hay kh«ng ph¶i
x¸c ®Þnh møc ®é biÕn thiªn n¨ng l−îng tù do ∆ZT. Theo c«ng thøc (1.13), qu¸ tr×nh
¨n mßn tù x¶y ra khi ∆ZT < 0 cã nghÜa lµ ET > 0. Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nguyªn tè
¨n mßn ET phô thuéc vµo ®iÖn thÕ ®iÖn cùc anèt vµ catèt cña hÖ thèng. §iÖn thÕ ®iÖn
cùc cña kim lo¹i phô thuéc vµo b¶n chÊt cña kim lo¹i. Kim lo¹i bÒn vÒ nhiÖt ®éng
th× kh«ng bÞ ¨n mßn, nh−ng phÇn lín kim lo¹i kh«ng bÒn nhiÖt ®éng trong m«i
tr−êng x©m thùc.
* CÊu t¹o vµ tÝnh chÊt cña hîp kim
§é bÒn ¨n mßn ®iÖn hãa cña hîp kim phô thuéc vµo tæ chøc tÕ vi vµ thµnh
phÇn hãa häc cña nã. Nh÷ng hîp kim ®ång ®Òu thµnh phÇn, h¹t nhá vµ cã tæ chøc 1
pha th× ®é bÒn ¨n mßn cao h¬n hîp kim cã thµnh phÇn kh«ng ®ång ®Òu, nhiÒu
khuyÕt tËt, tæ chøc nhiÒu pha.
* Tr¹ng th¸i bÒ mÆt cña hîp kim
Nguyªn t¾c lµ bÒ mÆt kim lo¹i cµng nh½n (mµi, ®¸nh bãng) th× ®é bÒn cña
kim lo¹i cµng cao ®ã lµ do kh¶ n¨ng t¹o thµnh mµng thô ®éng nhanh h¬n, ®ång nhÊt
h¬n, ®ång thêi n©ng cao ®é bÒn mái.
* §Æc tÝnh cña øng suÊt
¡n mßn d−íi øng suÊt chiÕm tû lÖ cao (28% tæng thiÖt h¹i do ¨n mßn) [1].
Do trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o vËt liÖu ®Ó l¹i øng suÊt d− hoÆc do qu¸ tr×nh lµm viÖc
t¹o ra øng suÊt, øng suÊt nµy kÕt hîp víi m«i tr−êng ¨n mßn sÏ g©y nªn ¨n mßn
rÊt m¹nh.
b) C¸c yÕu tè bªn ngoµi
* Nång ®é muèi
Tèc ®é ¨n mßn ®iÖn hãa phô thuéc vµo b¶n chÊt cña dung dÞch chÊt ®iÖn ly.
Trong n−íc biÓn chøa nhiÒu lo¹i kho¸ng chÊt kh¸c nhau, hµm l−îng muèi (®é mÆn)
còng kh¸c nhau theo tõng khu vùc, dao ®éng trong kho¶ng 0,5 ÷ 4% (b¶ng 1.3). Tuy
nhiªn, tû lÖ muèi thùc tÕ kh¸ æn ®Þnh. §é mÆn trung b×nh cña c¸c ®¹i d−¬ng kho¶ng
3,5%, cµng xuèng s©u ®é mÆn cµng t¨ng vµ æn ®Þnh. TÇng bÒ mÆt cña biÓn ViÖt
15
Nam ®é mÆn dao ®éng kho¶ng 3,2 ÷ 3,5% (trong ®ã NaCl chiÕm kho¶ng 77,6%,
MgCl2 chiÕm kho¶ng 10,4%, CaSO4 chiÕm kho¶ng 0,13%), møc ®é dao ®éng theo
mïa kh«ng lín l¾m (mïa ®«ng ®é mÆn trung b×nh cao h¬n mïa hÌ kho¶ng 0,1 ÷
0,2%). Do ¶nh h−ëng cña c¸c dßng n−íc ngät tõ c¸c s«ng ®æ vµo biÓn nªn vïng cöa
s«ng cã ®é mÆn thÊp h¬n ngoµi kh¬i.
B¶ng 1.3. §é mÆn vµ khèi l−îng riªng cña n−íc biÓn ë mét sè vïng biÓn [7]
Tªn BiÓn Khèi l−îng riªng cña Hµm l−îng muèi,
n−íc ë 150C, g/cm3 % träng l−îng
B¾c B¨ng D−¬ng 1,024 ÷ 1,026 3,5
- BiÓn Ba-ren 1,026 3,5
- BiÓn Tr¾ng:
+ vïng phÝa b¾c 1,024 3,3
+ vïng gi÷a 1,018 ÷ 1,019 2,5
+ vïng phÝa nam 1,007 1,9
Ên §é D−¬ng 1,025 ÷ 1,032 3,2 ÷ 3,75
§¹i T©y D−¬ng 1,025 ÷ 1,027 3,5 ÷ 3,7
- §Þa Trung H¶i 1,029 3,7 ÷ 3,9
- BiÓn §en 1,012 1,7 ÷ 1,85
- BiÓn Ban TÝch ( vïng gi÷a) 1,005 1,8 ÷ 2,5
Th¸i B×nh D−¬ng 1,025 ÷ 1,032 3,4 ÷ 3,7
- BiÓn §«ng 1,026 ÷ 1,027 3,2
- BiÓn Trung Quèc 1,024 ÷ 1,025 3,1 ÷ 3,5
- BiÓn NhËt B¶n 1,021 ÷ 1,023 2,8 ÷ 3,4
BiÓn Caxpia 1,009 1,0 ÷ 1,5
Nãi chung, n−íc biÓn lµ dung dÞch muèi mang tÝnh kiÒm yÕu, chøa c¸c ion
ph©n ly 99,99% c¸c ion ®ã lµ: Cl-, Br-, F-,Na+, K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, HCO32-, CO32-
,… C¸c ion Cl-, SO42- cã t¸c dông lµm t¨ng qu¸ tr×nh anèt, cßn ion CO32- cã t¸c dông
lµm gi¶m tèc ®é ¨n mßn do t¹o líp b¶o vÖ trªn bÒ mÆt kim lo¹i. Tuy nhiªn, ë vïng
16
biÓn n−íc ta hµm l−îng ion CO32- thÊp (0,27% trong n−íc biÓn §µ N½ng) nªn hiÖu
qu¶ k×m h·m qu¸ tr×nh ¨n mßn kÐm.
Sù cã mÆt cña c¸c muèi hßa tan lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña n−íc biÓn, lµ ®iÒu
kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh ¨n mßn ®iÖn hãa. Cïng víi viÖc t¨ng ®é dÉn ®iÖn th×
c−êng ®é ¨n mßn còng t¨ng theo, dßng ®iÖn ph©n bè trªn bÒ mÆt kim lo¹i còng ®Òu
h¬n. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn kho¶ng 0,6 ÷ 6,0 Ω-1m-1, phô thuéc vµo nång
®é muèi vµ nhiÖt ®é (b¶ng 1.4) [7].
B¶ng 1.4. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn [Ω-1m-1.10-3]
phô thuéc vµo nång ®é muèi vµ nhiÖt ®é
Nång ®é muèi, [%] NhiÖt ®é, [0C]
50 100 150 200 250
1,8 1829 2086 2356 2635 2921
2,2 2196 2504 2812 3159 3501
2,6 2557 2913 3287 3672 4068
3,0 2912 3317 3739 4175 4624
3,4 3261 3713 4183 4669 5168
3,8 3603 4101 4619 5152 5703
* ¶nh h−ëng cña c¸c lo¹i khÝ hßa tan trong n−íc biÓn
- KhÝ oxy hßa tan trong n−íc biÓn (biÓn §«ng cã nång ®é oxy hßa tan lµ 4,5 mg/l,
biÓn Th¸i B×nh D−¬ng lµ 5,3 ÷ 7,6 ml/l khi nhiÖt ®é thay ®æi tõ 6 ÷ 250C), nång ®é
oxy hßa tan cßn phô thuéc vµo ®é s©u tÝnh tõ mÆt n−íc còng nh− ho¹t ®éng cña t¶o
vµ vi khuÈn. Víi vai trß lµ nguyªn tè oxy hãa (1.10), oxy lµ yÕu tè ¶nh h−ëng quan
träng ®Õn tèc ®é ¨n mßn ®iÖn hãa kim läai, t¹o ra s¶n phÈm ¨n mßn. Tèc ®é ¨n mßn
cña thÐp tû lÖ thuËn víi nång ®é oxy hßa tan trong n−íc biÓn b¶ng 1.5 [1].
B¶ng 1.5. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo hµm l−îng oxy hßa tan trong n−íc biÓn
ChiÒu s©u, m NhiÖt ®é, oC Hµm l−îng Thêi gian ¨n Tèc ®é ¨n
Oxy, ppm mßn, ngµy mßn, µm/n¨m
Vïng bÒ mÆt 5-30 5-10 365 130
715 7 0,6 197 43
1615 2,5 1,8 1604 23
1720 3 1,2 123 50
1720 2 2,1 751 20
2065 3 1,7 403 58
17
TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI
---------------------------------------
\\ [[
Ng« Minh TiÕn
Nghiªn cøu x¸c ®Þnh thµnh phÇn hîp lý cña hîp kim
c¬ së kÏm lµm anèt hy sinh ®Ó b¶o vÖ thÐp
trong m«i tr−êng n−íc biÓn
Chuyªn ngành : Khoa häc vµ Kü thuËt VËt liÖu kim lo¹i
LUËN V¡N TH¹C SÜ KHOA HäC
…......................................
Khoa häc vµ kü thuËt vËt liÖu kim lo¹i
NG¦êI H¦íNG dÉn KHOA HäC :
1. TS Lª ThÞ Hång Liªn
2. PGS - TS NguyÔn V¨n T−
Hµ Néi - 2012
i
Lêi c¶m ¬n
T«i xin bÇy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c cña m×nh ®Õn PGS-TS NguyÔn V¨n T− vµ
TS Lª ThÞ Hång Liªn nh÷ng ng−êi ®· chØ ®¹o h−íng dÉn rÊt tËn t×nh, cô thÓ vÒ mÆt
khoa häc trong suèt qu¸ tr×nh t«i thùc hiÖn luËn v¨n nµy.
T«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Õn c¸c thÇy, c¸c c« trong bé m«n VËt liÖu häc, Xö lý
nhiÖt vµ BÒ mÆt vµ c¸c c¸n bé TT Nghiªn cøu ăn mßn & bảo vệ KL nh÷ng ng−êi ®·
trang bÞ cho t«i kiÕn thøc vµ ph−¬ng ph¸p häc tËp, nghiªn cøu.
Cuèi cïng, t«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Õn c¸c ®ång chÝ l·nh ®¹o ViÖn Hãa häc-
VËt liÖu, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Qu©n sù, c¸m ¬n c¸c b¹n bÌ, ®ång nghiÖp ®·
lu«n gióp ®ì, ñng hé vµ ®éng viªn t«i, t¹o ®iÒu kiÖn tèt nhÊt vÒ thêi gian ®Ó t«i cã
thÓ hoµn thµnh tèt khãa häc cña m×nh.
Hµ Néi, ngµy 26 th¸ng 12 n¨m 2012
T¸c gi¶
Ng« Minh TiÕn
ii
Lêi cam ®oan
T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, c¸c
kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc c«ng bè trong bÊt kú mét
c«ng tr×nh nµo kh¸c.
Hµ Néi, ngµy 26 th¸ng 12 n¨m 2012
T¸c gi¶
Ng« Minh TiÕn
iii
Môc lôc
Trang
Trang phô b×a………………………………………………………..... i
Lêi c¶m ¬n................................................................................................ ii
Lêi cam ®oan.......................................................................................... iii
Môc lôc...................................................................................................... 1
Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t………………………....... 3
Danh môc c¸c b¶ng……………………………………………….... 4
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ…………………………………… 5
Më ®Çu………………………………………………………………….... 7
Ch−¬ng 1. TỔNG QUAn…………………………………………..... 9
1.1. C¬ chÕ cña ¨n mßn ®iÖn hãa………………………….......... 10
1.2. §Æc ®iÓm ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn...................... 13
1.2.1. N−íc biÓn………………………………………………….. 13
1.2.2. Tèc ®é ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn.......................... 14
1.2.3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ¨n mßn trong n−íc biÓn............... 14
1.3. Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn trong m«i tr−êng 21
n−íc biÓn...............................................................................
1.3.1. B¶o vÖ chñ ®éng.................................................................... 21
1.3.2. B¶o vÖ bÞ ®éng....................................................................... 22
1.4. B¶o vÖ b»ng ph−¬ng ph¸p dïng anèt hy sinh (protector)…... 23
1.4.1. C¬ së cña ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn b»ng anèt hy 23
sinh…………………………………………………….........
1.4.2. C¸c yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi vËt liÖu lµm protector................. 23
1.4.3. Nh÷ng chØ tiªu ®Ó ®¸nh gi¸ vµ chÕ t¹o protector................... 25
1.5. Sö dông kÏm vµ hîp kim kÏm ®Ó chÕ t¹o anèt hy sinh 26
1.5.1. §Æc tÝnh chung cña kÏm vµ hîp kim kÏm…………………. 26
1.5.2. Hîp kim kÏm lµm protector................................................... 29
1.5.3. C«ng nghÖ nÊu luyÖn hîp kim kÏm lµm protector………..... 36
1.5.4. Rãt ®óc vµ xö lý nhiÖt…………………………………........ 39
CHƯƠNG 2. PH¦¥NG PH¸P nghiªn cøu………………………... 42
2.1. Ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o hîp kim………………………............ 42
2.2. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu……………………………………..... 42
2.3. B¶ng phèi liÖu ®Ó chÕ t¹o protector....................................... 43
1
2.4. ThiÕt bÞ sö dông nghiªn cøu………………………….......... 43
2.5. Ph−¬ng ph¸p nÊu luyÖn protector………………………….. 45
2.6. Ph−¬ng ph¸p ®óc protector……………………………........ 45
2.7. Ph−¬ng ph¸p n©ng cao chÊt l−îng cña protector nÒn kÏm 48
sau khi ®óc……………………………………………….....
2.8. Kh¶o s¸t chÊt l−îng protector………………………............ 48
2.8.1. X¸c ®Þnh thµnh phÇn protector……………………………... 48
2.8.2. X¸c ®Þnh tæ chøc vµ pha cña protector……………………... 48
2.8.3. X¸c ®Þnh ®iÖn thÕ E vµ dung l−îng ®iÖn hãa Q…………..... 49
CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN……………………………... 53
3.1. X¸c ®Þnh thµnh phÇn hîp lý lµm protector cë së kÏm…....... 53
3.1.1. ¶nh h−ëng cña nh«m (Al) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng sè 57
®iÖn hãa………………………………………………...
3.1.2. ¶nh h−ëng cña cadimi (Cd) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng 61
sè ®iÖn hãa………………………………………………...
3.1.3. ¶nh h−ëng cña ®ång (Cu) ®Õn tæ chøc tÕ vi vµ c¸c th«ng sè 65
®iÖn hãa……………………………………………….........
3.2. ¶nh h−ëng cña tèc ®é nguéi khi ®óc hîp kim lµm 68
protector...............................................................................
3.3. ¶nh h−ëng cña chÕ ®é nhiÖt luyÖn ®Õn chÊt l−îng 71
protector………………………………………………….....
KÕt luËn ………………...…………………………................................ 77
KiÕn nghÞ………………………………………………………………... 78
Tµi liÖu tham kh¶o…………………………….................................. 79
2
Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t
- HSLA Hîp kim thÊp chÊt l−îng cao
- TCVN Tiªu chuÈn ViÖt Nam
- ASTM Tiªu chuÈn cña Mü
- ptn Tèc ®é th©m nhËp, mm/n¨m hoÆc cm/n¨m
- pH §é axÝt cña dung dÞch
-Q Dung l−îng ®iÖn hãa cña protector, A.h/kg
-E §iÖn thÕ, V (mV)
-η HiÖu suÊt ®iÖn hãa cña protector, %
- mpro Khèi l−îng cña protector, kg
- ipro MËt ®é dßng hßa tan cña protector, A/dm2
-S DiÖn tÝch bÒ mÆt lµm viÖc trung b×nh, dm2
-t Thêi gian b¶o vÖ cña protector, h
-A Nguyªn tö l−îng cña kim lo¹i lµm protector
- C/A Tû lÖ diÖn tÝch cña hai kim lo¹i catèt vµ anèt
- ppm Tû lÖ phÇn triÖu
- ΓOCT Tiªu chuÈn cña Nga
-T NhiÖt ®é, oC
- CO 2 §é hßa tan cña oxy, ppm hoÆc ml/l
3
Danh môc c¸c b¶ng
Thø tù Néi dung Trang
B¶ng 1.1. Tèc ®é th©m nhËp thÐp cacbon trong n−íc biÓn thay ®æi 14
theo thêi gian
B¶ng 1.2. Tèc ®é ¨n mßn mét vµi lo¹i vËt liÖu trong n−íc biÓn 14
B¶ng 1.3. §é mÆn vµ khèi l−îng riªng cña n−íc biÓn ë mét sè vïng biÓn 16
B¶ng 1.4. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn [Ω-1m-1.10-3] phô thuéc 17
vµo nång ®é muèi vµ nhiÖt ®é
B¶ng 1.5. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo hµm l−îng oxy hßa tan trong 17
n−íc biÓn
B¶ng 1.6. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo tû lÖ diÖn tÝch C/A 19
B¶ng 1.7. Tèc ®é ¨n mßn galvanic trong n−íc biÓn 20
B¶ng 1.8. Mét sè vËt liÖu lµm protector th«ng dông 24
B¶ng 1.9. Thµnh phần hãa học một số m¸c kẽm nguyªn chất kỹ thuật 28
do Liªn X« (cũ) sản xuất
B¶ng 1.10. Thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt ®iÖn hãa cña hîp kim Zn - Al - Me 35
B¶ng 1.11. Tiªu chuÈn cña hîp kim kÏm lµm protector 36
B¶ng 2.1. Thµnh phÇn vµ c¸c t¹p chÊt trong kÏm 42
B¶ng 2.2. Thµnh phÇn vµ c¸c t¹p chÊt trong nh«m 42
B¶ng 2.3. B¶ng phèi liÖu chÕ t¹o protector 43
B¶ng 2.4. ChØ tiªu kü thuËt cña thiÕt bÞ Autolab PG 302 50
B¶ng 3.1. Thµnh phÇn c¸c nguyªn tè hîp kim trong mÉu ®óc 53
B¶ng 3.2. L−îng ch¸y hao c¸c nguyªn tè hîp kim 54
B¶ng 3.3. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector (M1, M2, M5) 60
B¶ng 3.4. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector (M4, M6) 63
B¶ng 3.5. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector M3 67
B¶ng 3.6. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector M2 (khu«n 70
kim lo¹i vµ khu«n c¸t)
B¶ng 3.7. KÕt qu¶ ®o c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc khu«n 75
c¸t, xö lý nhiÖt ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau
4
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ
Thø tù Néi dung Trang
H×nh 1.1. Sù ph©n bè thiÖt h¹i theo c¸c d¹ng ¨n mßn 9
H×nh 1.2. S¬ ®å nguyªn lý ¨n mßn ®iÖn hãa 10
H×nh 1.3. Sơ đồ bảo vệ bằng protector 23
H×nh 1.4. Giản đồ trạng th¸i Zn – Al 32
H×nh 1.5. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng nh«m ®Õn 33
H×nh 2.1. Ph«i kÏm s¹ch 99,995% 42
H×nh 2.2. Lß ®iÖn trë vµ nåi lß 43
H×nh 2.3. KÝnh hiÓn vi quang häc 44
H×nh 2.4. ThiÕt bÞ Autolab PG302 44
H×nh 2.5. ThiÕt bÞ ph©n tÝch nhiÖt vi sai 44
H×nh 2.6. ¶nh mÉu ®óc 46
H×nh 2.7. S¬ ®å c«ng nghÖ nÊu ®óc hîp kim kÏm lµm protector 47
H×nh 2.8. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ x¸c ®Þnh dung l−îng ®iÖn hãa cña anèt 50
H×nh 3.1. Gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt vi sai mÉu anèt Zn (M2) 54
H×nh 3.2. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M0 55
H×nh 3.3. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M0 56
H×nh 3.4. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M1 57
H×nh 3.5. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 57
H×nh 3.6. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M5 58
H×nh 3.7. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M1 59
H×nh 3.8. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 59
H×nh 3.9. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M5 60
H×nh 3.10. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M4 61
H×nh 3.11. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M6 62
H×nh 3.12. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M4 63
H×nh 3.13. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M6 63
H×nh 3.14. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M3 65
5
H×nh 3.15. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M3 67
H×nh 3.16. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu hîp kim kÏm M2 ë hai chÕ ®é 69
®óc kh¸c nhau
H×nh 3.17. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng 70
khu«n c¸t
H×nh 3.18. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 71
nung ®Õn 340oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.19. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 72
nung ®Õn 350oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.20. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 73
nung ®Õn 360oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.21. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n c¸t, ®−îc 73
nung ®Õn 380oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.22. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 74
c¸t, ®−îc nung ®Õn 340oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.23. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 74
c¸t, ®−îc nung ®Õn 350oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.24. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 75
c¸t, ®−îc nung ®Õn 360oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.25. BiÓu ®å (E-t) kÕt qu¶ ®o ®iÖn hãa cña mÉu M2 ®óc b»ng khu«n 75
c¸t, ®−îc nung ®Õn 380oC, gi÷ nhiÖt 2h, nguéi trong n−íc
H×nh 3.26. S¬ ®å c«ng nghÖ xö lý nhiÖt hîp lý cña mÉu hîp kim kÏm 76
M2 ®óc b»ng khu«n c¸t lµm protector
6
më ®Çu
Trong c¸c d¹ng ph¸ hñy kim lo¹i kh¸c nhau, th× ph¸ hñy do t¸c dông hãa häc
hoÆc ®iÖn hãa cña m«i tr−êng ¨n mßn lªn kim lo¹i chiÕm vÞ trÝ hµng ®Çu. D¹ng ph¸
hñy nµy th−êng ®−îc gäi lµ sù ¨n mßn. ¡n mßn kim lo¹i g©y tæn thÊt lín cho nÒn
kinh tÕ quèc d©n nãi chung còng nh− trong quèc phßng nãi riªng [1, 3, 7, 23, 24].
¡n mßn kim lo¹i ph¸ ho¹i nhanh chãng c¸c c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i
tr−êng n−íc biÓn nh−: c¸c c«ng tr×nh dÇu khÝ, c¶ng, tµu biÓn, ®−êng èng dÉn, ...ë
n−íc ta ®· cã nhiÒu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ c¸c c«ng tr×nh
kim lo¹i [2, 4, 5, 8, 12, 18, 27, 28, 29]. §Æc biÖt lµ c¸c c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i
tr−êng ¨n mßn m¹nh (n−íc biÓn). Trong c¸c ph−¬ng ph¸p chèng ¨n mßn vµ b¶o vÖ
c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i tr−êng n−íc biÓn th× ph−¬ng ph¸p sö dông protector
lµm anèt hy sinh ®−îc cho lµ ®¬n gi¶n vµ ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ cao nhÊt [1, 3, 7].
C¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ c«ng tr×nh biÓn b»ng
protector nh−: ®Ò tµi nghiªn cøu chÕ t¹o protector nÒn nh«m vµ nÒn kÏm ®Ó b¶o vÖ
c¸c c«ng tr×nh biÓn vµ giµn khoan cè ®Þnh cña Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi vµ
cña Trung t©m nghiªn cøu ¨n mßn ViÖn khoa häc VËt liÖu [4, 22]; ®Ò tµi nghiªn cøu
chÕ t¹o protector nÒn magiª cña Häc ViÖn Kü thuËt Qu©n sù ®Ó b¶o vÖ chèng ¨n
mßn cho tµu chiÕn cã vá ®Æc biÖt. Tuy nhiªn ch−a cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu
¶nh h−ëng c¸c nguyªn tè hîp kim cña protector c¬ së kÏm ®−îc nÊu luyÖn tõ c¸c
nguyªn vËt liÖu vµ thiÕt bÞ sö dông t¹i ViÖn Hãa häc - VËt liÖu, Bé Quèc phßng. §©y
lµ ®Ò tµi thiÕt thùc trong viÖc chÕ t¹o protector nÒn kÏm, lo¹i ®−îc sö dông nhiÒu
trong c¸c c«ng tr×nh biÓn, tµu biÓn vµ ®Æc biÖt lµ trong Qu©n chñng H¶i qu©n.
Lµ mét c¸n bé lµm viÖc trong qu©n ®éi t«i nhËn thÊy viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o
protector nÒn kÏm ®Ó b¶o vÖ c¸c c«ng tr×nh biÓn vµ ®Æc biÖt lµ tµu biÓn lµ thiÕt thùc
vµ cã tÝnh kh¶ thi cao. §−îc sù h−íng dÉn vµ gióp ®ì cña PGS-TS NguyÔn V¨n T−
vµ TS Lª ThÞ Hång Liªn, t«i m¹nh d¹n nhËn ®Ò tµi: “Nghiªn cøu x¸c ®Þnh thµnh
phÇn hîp lý cña hîp kim c¬ së kÏm lµm anèt hy sinh ®Ó b¶o vÖ thÐp trong m«i
tr−êng n−íc biÓn”.
LuËn v¨n gåm ba phÇn:
PhÇn 1: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
7
- Tæng quan vÒ ¨n mßn vµ b¶o vÖ kim lo¹i. Trong ®ã nªu lªn nguyªn nh©n
g©y ra ¨n mßn, c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ¨n mßn, tèc ®é ¨n mßn vµ c¸c ph−¬ng
ph¸p chèng ¨n mßn hiÖn nay.
- Nªu ra mét sè lo¹i hîp kim lµm protector, chñ yÕu tËp trung nhÊn m¹nh vµo
c¸c m¸c hîp kim nÒn kÏm lµm anèt hy sinh.
- §−a ra c¬ së lý thuyÕt vÒ c«ng nghÖ nÊu ®óc hîp kim kÏm lµm protector.
PhÇn 2: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
- ChÕ t¹o c¸c vËt liÖu lµm protector nÒn kÏm kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn c¸c
nguyªn tè hîp kim hãa (Al, Cd, Cu).
- §−a ra quy tr×nh nÊu hîp kim kÏm chÕ t¹o protector.
- X¸c ®Þnh thµnh phÇn c¸c nguyªn tè trong protector.
- X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®iÖn hãa cña protector.
- C¸c ph−¬ng ph¸p n©ng cao chÊt l−îng protector.
PhÇn 3: bao gåm c¸c néi dung chÝnh sau
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña tõng nguyªn tè Al, Cd, Cu ®Õn chÊt l−îng
cña protector.
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña tèc ®é lµm nguéi ®Õn chÊt l−îng cña protector.
- Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ xö lý nhiÖt ®Õn chÊt l−îng
cña protector.
- KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ.
Trong kho¶ng thêi gian quy ®Þnh, t«i ®· hoµn thµnh ®−îc c¸c néi dung ®Ò ra
®èi víi luËn v¨n th¹c sü khoa häc. Tuy nhiªn, ®Ò tµi cÇn tiÕp tôc ph¶i ®−îc nghiªn
cøu hoµn thiÖn h¬n, nhÊt lµ c«ng t¸c thö nghiÖm thùc tÕ ®ßi hái ph¶i cã thêi gian vµ
®iÒu kiÖn.
8
Ch−¬ng 1
tæng quan
¨n mßn kim lo¹i ®−îc ®Þnh nghÜa lµ sù ph¸ huû vËt liÖu kim lo¹i hay hîp kim
do t¸c dông hãa häc hoÆc ®iÖn hãa víi m«i tr−êng xung quanh [7].
Cã hai lo¹i ¨n mßn kim lo¹i
- ¡n mßn hãa häc - lµ qu¸ tr×nh ph¸ hñy kim lo¹i d−íi t¸c dông cña c¸c chÊt khÝ cã
ho¹t tÝnh cao víi kim lo¹i. ¡n mßn hãa häc x¶y ra do t¸c dông trùc tiÕp cña m«i
tr−êng víi bÒ mÆt kim lo¹i, s¶n phÈm cña ¨n mßn s¶n sinh ra ngay n¬i ph¶n øng.
Qu¸ tr×nh ¨n mßn x¶y ra b»ng c¸ch trao ®æi ®iÖn tö trùc tiÕp gi÷a kim lo¹i vµ c¸c
chÊt oxy hãa nh− O2, Cl2, S2,... VÝ dô khi nung kim lo¹i ë nhiÖt ®é cao trong kh«ng
khÝ nã bÞ oxy hãa:
y
xMe + O2 → MexOy (Me lµ kim lo¹i) (1.1)
2
- ¡n mßn ®iÖn hãa lµ sù ph¸ huû kim lo¹i hoÆc hîp kim do t−¬ng t¸c ®iÖn hãa víi
m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly xung quanh. Trong qu¸ tr×nh ®ã, ph¶n øng x¶y ra ë 2 vïng
cã thÓ c¸ch xa nhau vµ lµm ph¸t sinh dßng ®iÖn ch¹y qua m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly.
ë c¸c n−íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn, ng−êi ta −íc tÝnh thiÖt h¹i do ¨n mßn
chiÕm kho¶ng 4,2% tæng s¶n phÈm quèc néi. ThiÖt h¹i nµy cßn lín h¬n rÊt nhiÒu
nÕu tÝnh cho c¶ chi phÝ b¶o d−ìng, thay thÕ vËt liÖu vµ hËu qu¶ cña ¨n mßn lµm «
nhiÔm m«i tr−êng vµ mÊt c©n b»ng sinh th¸i. ViÖt Nam cã khÝ hËu nãng, Èm, tû lÖ
vËt liÖu kim lo¹i sö dông cßn cao nªn thiÖt h¹i ¨n mßn cßn cã thÓ cao h¬n n÷a. Theo
thèng kª, tû lÖ thiÖt h¹i ph©n bè theo c¸c d¹ng ¨n mßn nh− ë h×nh 1.1 [1].
¡n mßn ®Òu ¡n mßn d−íi øng suÊt
34% 28%
KÕt hîp nhiÒu d¹ng
¨n mßn kh¸c 12%
11% 6% ¡n mßn mái
4%5%
¡n mßn kh¸c
¡n mßn tinh giíi ¡n mßn côc bé ¡n mßn mµi mßn
H×nh 1.1. Sù ph©n bè thiÖt h¹i theo c¸c d¹ng ¨n mßn
9
Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp: X©y dùng, c«ng tr×nh giao
th«ng, khai th¸c dÇu khÝ, c«ng nghiÖp ®ãng tµu, . . . th× viÖc b¶o vÖ kim lo¹i khái bÞ
¨n mßn ®Æc biÖt c¸c kÕt cÊu cÇu c¶ng, vá tµu vµ c¸c chi tiÕt trªn tµu biÓn, ®−êng èng
dÉn dÇu, khÝ ph¶i ®−îc quan t©m ë møc ®é cao. Trong ®ã, ph¸ huû do ¨n mßn ®iÖn
hãa lµ d¹ng chñ yÕu vµ phæ biÕn nhÊt [9, 13, 17, 25].
1.1. C¬ chÕ cña ¨n mßn ®iÖn hãa [7]
Quan s¸t hai vïng bÊt kú n»m c¹nh nhau cña kim lo¹i trong m«i tr−êng ¨n
mßn (h×nh 1.2) ta thÊy cã ba qu¸ tr×nh chÝnh x¶y ra:
- Qu¸ tr×nh anèt: Lµ qu¸ tr×nh oxy hãa ®iÖn hãa,
trong ®ã kim lo¹i chuyÓn vµo dung dÞch d−íi d¹ng
ion vµ gi¶i phãng ®iÖn tö; kim lo¹i bÞ ¨n mßn theo
ph¶n øng:
Me → Me + n + ne ⎯+⎯ ⎯→ Me + n .mH 2 O + ne (1.2)
mH 2O
Trong qu¸ tr×nh nµy, kim lo¹i bÞ mÊt ®iÖn tö H×nh 1.2. S¬ ®å nguyªn lý ¨n
mßn ®iÖn hãa
(qu¸ tr×nh cho ®iÖn tö), nã bÞ oxy hãa hay bÞ ¨n mßn.
- Qu¸ tr×nh catèt: Lµ qu¸ tr×nh khö ®iÖn hãa c¸c t¸c nh©n cã mÆt trong m«i tr−êng,
trong ®ã c¸c chÊt oxy hãa (Ox) nhËn ®iÖn tö do kim lo¹i bÞ ¨n mßn gi¶i phãng ra:
Ox + ne → Red (1.3)
Trong ®ã, Red lµ d¹ng chÊt khö, Ox lµ d¹ng chÊt oxy hãa, th−êng lµ H+ hoÆc O2.
* Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i víi chÊt khö ph©n cùc hydro chÝnh lµ qu¸ tr×nh ion H+
nhËn ®iÖn tö vµ thãat ra khái khu vùc ph¶n øng ( Ox lµ H+). Trong thùc tÕ, qu¸ tr×nh
¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro kh¸ phæ biÕn trong m«i tr−êng axÝt. Ph−¬ng tr×nh ph¶n
øng nh− sau:
2H+ + 2e → H2 ↑ (1.4)
Qu¸ tr×nh catèt cña sù khö ph©n cùc hy®ro th−êng qua c¸c giai ®o¹n sau:
1) KhuÕch t¸n vµ ®iÖn chuyÓn H3O+ ®Õn ®iÖn cùc.
2) T¹i catèt, c¸c ion hy®roxyt bÞ khö thµnh nguyªn tö hy®ro cã kh¶ n¨ng hÊp phô
trªn bÒ mÆt kim lo¹i gäi lµ hy®ro hÊp phô:
H3O+ + e → H hp + H2O (1.5)
10
3) Mét phÇn hy®ro nguyªn tö t¹o thµnh trong ph¶n øng (1.5) hßa tan vµ khuÕch t¸n
s©u vµo trong kim lo¹i vïng catèt.
4) PhÇn lín c¸c nguyªn tö hy®ro hÊp phô tæ hîp l¹i thµnh ph©n tö khÝ
H hp + H hp → H2 ↑ (1.6)
HoÆc khö hÊp phô ®iÖn hãa: H hp + H3O+ + e → H2 ↑ + H2O (1.7)
5) KhuÕch t¸n vµ vËn chuyÓn ®èi l−u H2 khái catèt vµ dung dÞch ®Ó chuyÓn vµo
kh«ng khÝ.
6) TËp hîp l−îng lín hy®ro ®Ó t¹o thµnh bät khÝ.
H2 + H2 + ...... → nH2 ↑ (1.8)
Qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro bÞ chËm chñ yÕu do tèc ®é cña ph¶n
øng khö ë catèt chËm, lµm cho bÒ mÆt kim lo¹i d− ®iÖn tö, do ®ã thÕ ®iÖn cùc catèt
chuyÓn vÒ phÝa ©m h¬n. Nãi c¸ch kh¸c, qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro bÞ
khèng chÕ chñ yÕu do ph©n cùc ®iÖn hãa. Trong tr−êng hîp nµy, c¬ cÊu catèt ®−îc
thiÕt lËp gi÷a bÒ mÆt kim lo¹i ë catèt ®−îc hÊp phô hy®ro víi ion H+ trong dung
dÞch. V× vËy, trÞ sè ph©n cùc ®iÖn hãa trong qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc hy®ro
®−îc gäi lµ qu¸ thÕ hy®ro (η H ). Qu¸ thÕ hy®ro phô thuéc vµo mËt ®é dßng catèt,
2
b¶n chÊt cña vËt liÖu ®iÖn cùc catèt, tr¹ng th¸i bÒ mÆt catèt, ®é pH vµ nhiÖt ®é dung
dÞch chÊt ®iÖn ly. Khi qu¸ thÕ hy®ro cµng lín th× hiÖu ®iÖn thÕ ®iÖn cùc gi÷a catèt vµ
anèt cµng nhá, c−êng ®é dßng ¨n mßn cµng nhá do ®ã tèc ®é ¨n mßn sÏ nhá.
* Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i mµ ph¶n øng khö ph©n cùc catèt do ion hãa oxy th× gäi
lµ qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc oxy (Ox lµ O2). Khö ph©n cùc oxy cã thÓ x¶y ra
trong c¸c m«i tr−êng kiÒm, m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly trung tÝnh vµ dung dÞch axÝt h÷u
c¬ yÕu.
Qu¸ tr×nh ¨n mßn khö ph©n cùc oxy gåm c¸c giai ®o¹n chÝnh sau:
1) Oxy trong kh«ng khÝ hßa tan vµo dung dÞch ®iÖn ly qua bÒ mÆt ph©n c¸ch dung
dÞch ®iÖn ly, kh«ng khÝ.
2) Oxy hßa tan trong dung dÞch ®−îc chuyÓn s©u vµo dung dÞch ®iÖn ly nhê chuyÓn
®éng ®èi l−u tù nhiªn hoÆc ®èi l−u c−ìng bøc ( khuÊy, dßng ch¶y,...) cña dung dÞch
®iÖn ly.
11
3) Oxy hßa tan trong dung dÞch ®−îc chuyÓn vËn qua líp dung dÞch cã tèc ®é dung
dÞch thay ®æi. Sù vËn chuyÓn nµy lµ nhê chuyÓn ®éng cña líp ®iÖn ly.
4) Oxy hßa tan trong dung dÞch khuÕch t¸n qua líp chÊt láng n»m s¸t ®iÖn cùc. Líp
chÊt láng nµy kh«ng chuyÓn ®éng gäi lµ líp khuÕch t¸n.
5) Ion hãa oxy x¶y ra gåm nhiÒu giai ®o¹n phøc t¹p:
Trong m«i tr−êng axÝt h÷u c¬ yÕu, qu¸ tr×nh ion hãa oxy x¶y ra theo
ph¶n øng sau:
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (1.9)
Trong m«i tr−êng trung tÝnh hoÆc kiÒm, qu¸ tr×nh ion hãa oxy x¶y ra theo
ph¶n øng sau:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH- (1.10)
6) Sau khi ion hãa trong m«i tr−êng kiÒm th× qu¸ tr×nh khuÕch t¸n cña ion OH- vµo
s©u trong lßng dung dÞch ®iÖn ly.
Trong 6 giai ®o¹n trªn th× giai ®o¹n 4 vµ 5 lµ khã h¬n c¶. Do vËy, 2 giai ®o¹n
nµy khèng chÕ qu¸ tr×nh khö ph©n cùc oxy.
Khi trong dung dÞch cã chøa ion cña c¸c kim lo¹i cã ®iÖn thÕ ®iÖn cùc d−¬ng
h¬n kim lo¹i bÞ ¨n mßn th× qu¸ tr×nh catèt cã thÓ lµ:
,
Men + + n , e → Me (1.11)
, ,,,
HoÆc Men + + n ,, e → Men + (1.12)
Trong ®ã: n, = n,, + n,,,.
- Qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn ®iÖn tö, c¸c ion ©m vµ d−¬ng:
Khi hai qu¸ tr×nh ®iÖn cùc x¶y ra th× ®ång thêi c¸c ®iÖn tö do kim lo¹i bÞ ¨n
mßn gi¶i phãng ra dÞch chuyÓn tõ n¬i cã ph¶n øng anèt tíi n¬i cã ph¶n øng catèt.
Trong dung dÞch chÊt ®iÖn ly còng cã sù dÞch chuyÓn cña c¸c ion (cation vµ anion)
theo chiÒu ng−îc l¹i. Nh− vËy, qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i x¶y ra ®ång thêi víi sù
xuÊt hiÖn dßng ®iÖn gi÷a hai vïng kh¸c nhau cña thanh kim lo¹i gäi lµ dßng ®iÖn ¨n
mßn. Vïng kim lo¹i bÞ tan ®ãng vai trß anèt, cßn vïng kia ®ãng vai trß lµ catèt
(kh«ng bÞ tan).
Tõ nh÷ng tr×nh bµy ë trªn rót ra nhËn xÐt:
12
+ Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i (1.2) chØ cã thÓ x¶y ra khi cã mÆt cña c¸c t¸c nh©n khö
ph©n cùc thùc hiÖn ë c¸c ph¶n øng (1.3).
+ Muèn khèng chÕ qu¸ tr×nh ¨n mßn ®Ó b¶o vÖ kim lo¹i th× chØ cÇn khèng chÕ mét
trong hai qu¸ tr×nh trªn. Kh«ng cã qu¸ tr×nh “nhËn ®iÖn tö” th× còng kh«ng cã qu¸
tr×nh “cho ®iÖn tö”. §©y chÝnh lµ c¬ së c¬ b¶n ®Ó lùa chän c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt
chèng ¨n mßn ®iÖn hãa nh− thô ®éng kim lo¹i, b¶o vÖ catèt, s¬n phñ bÒ mÆt kim
lo¹i c¸ch ly víi m«i tr−êng chÊt ®iÖn ly, dïng c¸c chÊt øc chÕ,…[1, 7, 14].
NhiÖt ®éng häc còng ®· chøng minh ®−îc r»ng ®iÒu kiÖn ®Ó qu¸ tr×nh ®iÖn
cùc tù x¶y ra lµ n¨ng l−îng tù do cña hÖ thèng:
∆ZT = - n.F.ET < 0 (1.13)
Trong ®ã:
∆ZT- lµ biÕn thiªn n¨ng l−îng tù do cña qu¸ tr×nh ¨n mßn;
n- sè ®−¬ng l−îng gram;
F- h»ng sè Faraday, F = 96500 C/mol;
ET- søc ®iÖn ®éng cña nguyªn tè ¨n mßn thuËn nghÞch, ET = (ϕK)m-(ϕA)m;
(ϕK)m- ®iÖn thÕ ®iÖn cùc thuËn nghÞch cña catèt, ë ®iÒu kiÖn lµm viÖc;
(ϕA)m- ®iÖn thÕ ®iÖn cùc thuËn nghÞch cña anèt, ë ®iÒu kiÖn lµm viÖc.
V× n > 0, F > 0 nªn ®iÒu kiÖn ®Ó biÓu thøc (1.13) tháa m·n lµ ET > 0 nghÜa lµ:
(ϕK)m > (ϕA)m (1.14)
Tõ bÊt ®¼ng thøc (1.14) ta rót ra kÕt luËn : Trong hÖ thèng ¨n mßn ®iÖn hãa,
cùc nµo cã ®iÖn thÕ ®iÖn cùc ©m h¬n ®ãng vai trß anèt vµ bÞ ¨n mßn. Cùc nµo cã
®iÖn thÕ ®iÖn cùc d−¬ng h¬n ®ãng vai trß catèt vµ kh«ng bÞ ¨n mßn (®−îc b¶o vÖ).
1.2. §Æc ®iÓm ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn
1.2.1. N−íc biÓn
N−íc biÓn lµ dung dÞch t−¬ng ®èi ®ång nhÊt cã chøa nhiÒu lo¹i muèi, chñ yÕu
lµ NaCl, MgCl2. Ngoµi ra, trong n−íc biÓn cßn chøa nhiÒu lo¹i kho¸ng chÊt kh¸c cã
t¸c dông t¨ng tèc ®é ¨n mßn tíi møc cã thÓ xem n−íc biÓn chøa tíi 0,5N NaCl. C¸c
nghiªn cøu cho thÊy, víi nång ®é 0,5N NaCl th× tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn ®¹t
gi¸ trÞ cùc ®¹i, bÊt kú nång ®é nµo cao h¬n hoÆc thÊp h¬n th× tèc ®é ¨n mßn ®Òu nhá
13
h¬n. Ngoµi muèi hßa tan, ph¶i kÓ ®Õn nång ®é oxy hßa tan trong n−íc biÓn, tèc ®é
n−íc, nhiÖt ®é n−íc biÓn, c¸c yÕu tè vi sinh vËt vµ sinh vËt biÓn,... ®Òu ¶nh h−ëng
®Õn tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn [1].
1.2.2. Tèc ®é ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn
Tèc ®é ¨n mßn trong n−íc biÓn th−êng ®−îc biÓu thÞ b»ng tèc ®é th©m nhËp
Ptn. ThÐp cacbon trong n−íc biÓn Ptn kho¶ng 0,13 mm/n¨m. Tèc ®é nµy kh«ng ®æi
trong kho¶ng 8 n¨m. Sau 8 n¨m, tèc ®é nµy gi¶m xuèng ®Òu ®Æn mçi n¨m kho¶ng
25µm (b¶ng 1.1) trong vµi n¨m sau ®ã t−¬ng ®èi æn ®Þnh [1].
B¶ng 1.1. Tèc ®é th©m nhËp thÐp cacbon trong n−íc biÓn thay ®æi theo thêi gian
N¨m thø 1 2 3 ... 8 9 10 11 ...
Ptn, µm/n¨m 130 130 130 130 130 105 80 55 55
C¸c nghiªn cøu khoa häc vÒ tèc ®é ¨n mßn cña nhiÒu lo¹i thÐp HSLA trong
thêi gian 10 n¨m ®Çu còng t−¬ng tù nh− thÐp cacbon, Ptn kho¶ng 130 µm/n¨m. Cã
thÓ nãi thÐp cacbon th«ng dông còng nh− thÐp HSLA cã hîp kim hãa thÊp b»ng Cr
vµ Cu ®Òu kh«ng bÒn trong m«i tr−êng n−íc biÓn. B¶ng 1.2 cho thÊy, chØ cã thÐp
chøa Mo lµ t−¬ng ®èi bÒn ¨n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn, cßn c¸c kim lo¹i
kh¸c ®Òu bÞ ¨n mßn kh¸ nhanh [1].
B¶ng 1.2. Tèc ®é ¨n mßn mét vµi lo¹i vËt liÖu trong n−íc biÓn
VËt liÖu Tèc ®é ¨n mßn, µm/n¨m trong thêi gian
1,5 n¨m 2,5 n¨m 4,5 n¨m 8,5 n¨m
ThÐp cacbon x©y dùng 120 105 85 70
ThÐp HSLA (corten) 105 110 95 80
HSLA chøa Mn-0,75Ni-0,45Cu 110 95 75 65
HSLA chøa 1,8Ni-0,81Cu 135 115 90 80
HSLA chøa 2,6Cr-0,52Mo 35 40 40 33
1.2.3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ¨n mßn trong n−íc biÓn
¡n mßn trong m«i tr−êng n−íc biÓn chñ yÕu x¶y ra theo c¬ chÕ ¨n mßn ®iÖn
hãa. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ¨n mßn ®iÖn hãa nãi chung chia lµm 2 lo¹i:
- C¸c yÕu tè thuéc vÒ b¶n chÊt kim lo¹i gäi lµ c¸c yÕu tè bªn trong.
- C¸c yÕu tè thuéc vÒ m«i tr−êng gäi lµ yÕu tè bªn ngoµi.
a) C¸c yÕu tè bªn trong
14
* §é bÒn nhiÖt ®éng cña kim lo¹i
Nguyªn nh©n ®Çu tiªn dÉn ®Õn ¨n mßn kim lo¹i lµ do kim lo¹i ®ã kh«ng bÒn
vÒ nhiÖt ®éng. §Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph¸ hñy kim lo¹i cã tù x¶y ra hay kh«ng ph¶i
x¸c ®Þnh møc ®é biÕn thiªn n¨ng l−îng tù do ∆ZT. Theo c«ng thøc (1.13), qu¸ tr×nh
¨n mßn tù x¶y ra khi ∆ZT < 0 cã nghÜa lµ ET > 0. Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nguyªn tè
¨n mßn ET phô thuéc vµo ®iÖn thÕ ®iÖn cùc anèt vµ catèt cña hÖ thèng. §iÖn thÕ ®iÖn
cùc cña kim lo¹i phô thuéc vµo b¶n chÊt cña kim lo¹i. Kim lo¹i bÒn vÒ nhiÖt ®éng
th× kh«ng bÞ ¨n mßn, nh−ng phÇn lín kim lo¹i kh«ng bÒn nhiÖt ®éng trong m«i
tr−êng x©m thùc.
* CÊu t¹o vµ tÝnh chÊt cña hîp kim
§é bÒn ¨n mßn ®iÖn hãa cña hîp kim phô thuéc vµo tæ chøc tÕ vi vµ thµnh
phÇn hãa häc cña nã. Nh÷ng hîp kim ®ång ®Òu thµnh phÇn, h¹t nhá vµ cã tæ chøc 1
pha th× ®é bÒn ¨n mßn cao h¬n hîp kim cã thµnh phÇn kh«ng ®ång ®Òu, nhiÒu
khuyÕt tËt, tæ chøc nhiÒu pha.
* Tr¹ng th¸i bÒ mÆt cña hîp kim
Nguyªn t¾c lµ bÒ mÆt kim lo¹i cµng nh½n (mµi, ®¸nh bãng) th× ®é bÒn cña
kim lo¹i cµng cao ®ã lµ do kh¶ n¨ng t¹o thµnh mµng thô ®éng nhanh h¬n, ®ång nhÊt
h¬n, ®ång thêi n©ng cao ®é bÒn mái.
* §Æc tÝnh cña øng suÊt
¡n mßn d−íi øng suÊt chiÕm tû lÖ cao (28% tæng thiÖt h¹i do ¨n mßn) [1].
Do trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o vËt liÖu ®Ó l¹i øng suÊt d− hoÆc do qu¸ tr×nh lµm viÖc
t¹o ra øng suÊt, øng suÊt nµy kÕt hîp víi m«i tr−êng ¨n mßn sÏ g©y nªn ¨n mßn
rÊt m¹nh.
b) C¸c yÕu tè bªn ngoµi
* Nång ®é muèi
Tèc ®é ¨n mßn ®iÖn hãa phô thuéc vµo b¶n chÊt cña dung dÞch chÊt ®iÖn ly.
Trong n−íc biÓn chøa nhiÒu lo¹i kho¸ng chÊt kh¸c nhau, hµm l−îng muèi (®é mÆn)
còng kh¸c nhau theo tõng khu vùc, dao ®éng trong kho¶ng 0,5 ÷ 4% (b¶ng 1.3). Tuy
nhiªn, tû lÖ muèi thùc tÕ kh¸ æn ®Þnh. §é mÆn trung b×nh cña c¸c ®¹i d−¬ng kho¶ng
3,5%, cµng xuèng s©u ®é mÆn cµng t¨ng vµ æn ®Þnh. TÇng bÒ mÆt cña biÓn ViÖt
15
Nam ®é mÆn dao ®éng kho¶ng 3,2 ÷ 3,5% (trong ®ã NaCl chiÕm kho¶ng 77,6%,
MgCl2 chiÕm kho¶ng 10,4%, CaSO4 chiÕm kho¶ng 0,13%), møc ®é dao ®éng theo
mïa kh«ng lín l¾m (mïa ®«ng ®é mÆn trung b×nh cao h¬n mïa hÌ kho¶ng 0,1 ÷
0,2%). Do ¶nh h−ëng cña c¸c dßng n−íc ngät tõ c¸c s«ng ®æ vµo biÓn nªn vïng cöa
s«ng cã ®é mÆn thÊp h¬n ngoµi kh¬i.
B¶ng 1.3. §é mÆn vµ khèi l−îng riªng cña n−íc biÓn ë mét sè vïng biÓn [7]
Tªn BiÓn Khèi l−îng riªng cña Hµm l−îng muèi,
n−íc ë 150C, g/cm3 % träng l−îng
B¾c B¨ng D−¬ng 1,024 ÷ 1,026 3,5
- BiÓn Ba-ren 1,026 3,5
- BiÓn Tr¾ng:
+ vïng phÝa b¾c 1,024 3,3
+ vïng gi÷a 1,018 ÷ 1,019 2,5
+ vïng phÝa nam 1,007 1,9
Ên §é D−¬ng 1,025 ÷ 1,032 3,2 ÷ 3,75
§¹i T©y D−¬ng 1,025 ÷ 1,027 3,5 ÷ 3,7
- §Þa Trung H¶i 1,029 3,7 ÷ 3,9
- BiÓn §en 1,012 1,7 ÷ 1,85
- BiÓn Ban TÝch ( vïng gi÷a) 1,005 1,8 ÷ 2,5
Th¸i B×nh D−¬ng 1,025 ÷ 1,032 3,4 ÷ 3,7
- BiÓn §«ng 1,026 ÷ 1,027 3,2
- BiÓn Trung Quèc 1,024 ÷ 1,025 3,1 ÷ 3,5
- BiÓn NhËt B¶n 1,021 ÷ 1,023 2,8 ÷ 3,4
BiÓn Caxpia 1,009 1,0 ÷ 1,5
Nãi chung, n−íc biÓn lµ dung dÞch muèi mang tÝnh kiÒm yÕu, chøa c¸c ion
ph©n ly 99,99% c¸c ion ®ã lµ: Cl-, Br-, F-,Na+, K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, HCO32-, CO32-
,… C¸c ion Cl-, SO42- cã t¸c dông lµm t¨ng qu¸ tr×nh anèt, cßn ion CO32- cã t¸c dông
lµm gi¶m tèc ®é ¨n mßn do t¹o líp b¶o vÖ trªn bÒ mÆt kim lo¹i. Tuy nhiªn, ë vïng
16
biÓn n−íc ta hµm l−îng ion CO32- thÊp (0,27% trong n−íc biÓn §µ N½ng) nªn hiÖu
qu¶ k×m h·m qu¸ tr×nh ¨n mßn kÐm.
Sù cã mÆt cña c¸c muèi hßa tan lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña n−íc biÓn, lµ ®iÒu
kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh ¨n mßn ®iÖn hãa. Cïng víi viÖc t¨ng ®é dÉn ®iÖn th×
c−êng ®é ¨n mßn còng t¨ng theo, dßng ®iÖn ph©n bè trªn bÒ mÆt kim lo¹i còng ®Òu
h¬n. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn kho¶ng 0,6 ÷ 6,0 Ω-1m-1, phô thuéc vµo nång
®é muèi vµ nhiÖt ®é (b¶ng 1.4) [7].
B¶ng 1.4. §é dÉn ®iÖn riªng cña n−íc biÓn [Ω-1m-1.10-3]
phô thuéc vµo nång ®é muèi vµ nhiÖt ®é
Nång ®é muèi, [%] NhiÖt ®é, [0C]
50 100 150 200 250
1,8 1829 2086 2356 2635 2921
2,2 2196 2504 2812 3159 3501
2,6 2557 2913 3287 3672 4068
3,0 2912 3317 3739 4175 4624
3,4 3261 3713 4183 4669 5168
3,8 3603 4101 4619 5152 5703
* ¶nh h−ëng cña c¸c lo¹i khÝ hßa tan trong n−íc biÓn
- KhÝ oxy hßa tan trong n−íc biÓn (biÓn §«ng cã nång ®é oxy hßa tan lµ 4,5 mg/l,
biÓn Th¸i B×nh D−¬ng lµ 5,3 ÷ 7,6 ml/l khi nhiÖt ®é thay ®æi tõ 6 ÷ 250C), nång ®é
oxy hßa tan cßn phô thuéc vµo ®é s©u tÝnh tõ mÆt n−íc còng nh− ho¹t ®éng cña t¶o
vµ vi khuÈn. Víi vai trß lµ nguyªn tè oxy hãa (1.10), oxy lµ yÕu tè ¶nh h−ëng quan
träng ®Õn tèc ®é ¨n mßn ®iÖn hãa kim läai, t¹o ra s¶n phÈm ¨n mßn. Tèc ®é ¨n mßn
cña thÐp tû lÖ thuËn víi nång ®é oxy hßa tan trong n−íc biÓn b¶ng 1.5 [1].
B¶ng 1.5. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo hµm l−îng oxy hßa tan trong n−íc biÓn
ChiÒu s©u, m NhiÖt ®é, oC Hµm l−îng Thêi gian ¨n Tèc ®é ¨n
Oxy, ppm mßn, ngµy mßn, µm/n¨m
Vïng bÒ mÆt 5-30 5-10 365 130
715 7 0,6 197 43
1615 2,5 1,8 1604 23
1720 3 1,2 123 50
1720 2 2,1 751 20
2065 3 1,7 403 58
17