Tài liệu Nghiên cứu sản xuất chất chống gỉ cho ngành gia công kim loại

Bé C¤NG TH¦¥NG TẬP ðOÀN HÓA CHẤT VIỆT NAM C«ng ty CP Ph¸t triÓn Phô gia vµ S¶n phÈm DÇu má ******************** *** ******************** B¸O C¸O TæNG KÕT §Ò TµI KHCN CÊP Bé Nghiªn cøu s¶n xuÊt chÊt chèng gØ cho ngµnh gia c«ng kim lo¹i Chñ nhiÖm ®Ò tµi: KS NguyÔn Anh TuÊn C¬ quan chñ tr× ®Ò tµi: C«ng ty CP Ph¸t triÓn Phô gia vµ S¶n phÈm DÇu má Hµ néi - 2011 Bé C¤NG TH¦¥NG TẬP ðOÀN HÓA CHẤT VIỆT NAM C«ng ty CP Ph¸t triÓn Phô gia vµ S¶n phÈm DÇu má ******************** *** ******************** B¸O C¸O TæNG KÕT §Ò TµI KHCN CÊP Bé Nghiªn cøu s¶n xuÊt chÊt chèng gØ cho ngµnh gia c«ng kim lo¹i Thực hiện hợp ñồng số 95.11.RD/Hð-KHCN, ngày 21-3-2011 Ký giữa bộ Công Thương và Công ty CP Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ Chñ nhiÖm ®Ò tµi: KS. NguyÔn Anh TuÊn C¸n bé tham gia: 1. KS. Trương Ngọc ðức 2. KS. Hà Minh Huyền 3. KS. Lương Văn Tri 4. KS. Nguyễn Cảnh Tuyên 5. Nguyễn Ngọc Khương 6. Nguyễn Văn Hải 7. Phan ðình Khoa Hµ Néi, ngµy 19 th¸ng 11 n¨m 2011 Tæng gi¸m ®èc phª duyÖt Hµ néi 11-2011 DANH SÁCH CÁN BỘ THỰC HIỆN ðỀ TÀI Họ và tên Học vị, học hàm Cơ quan Nguyễn Anh Tuấn Kỹ sư Hóa học Công ty APP Trương Ngọc ðức Kỹ sư Hóa học Công ty APP Hà Minh Huyền Kỹ sư Hóa học Công ty APP Lương Văn Tri Kỹ sư Hóa học Công ty APP Nguyễn Cảnh Tuyên Kỹ sư Hóa học Công ty APP Nguyễn Ngọc Khương Kỹ sư Cơ khí Công ty TNHH một thành viên Diesel Sông Công Nguyễn Văn Hải Cử nhân Kinh tế Công ty TNHH một thành viên Diesel Sông Công Phan ðình Khoa Kỹ sư Cơ khí Công ty TNHH một thành viên Diesel Sông Công MỞ ðẦU Trong thời kỳ ñổi mới trên ñất nước ta có hàng trăm công ty, doanh nghiệp, liên doanh cơ khí gia công kim loại phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu như Tập ñoàn Vinashin, Công ty cơ khí Trần Hưng ðạo, Công ty TNHH Nhà Nước một thành viên Diesel Sông Công, Nhà máy Z153 Bộ Quốc Phòng, Công ty Honda Việt Nam..., hàng năm lượng chất chống gỉ ñược sử dụng là rất lớn. Chất chống gỉ là sản phẩm rất quan trọng, không thể thiếu trong ngành cơ khí gia công kim loại. Sau khi gia công, các chi tiết sản phẩm cần ñược phủ một màng bảo vệ ñể ngăn cách với môi trường xung quanh từ ñó giúp cho sản phẩm khỏi bị han gỉ gây hỏng hóc sản phẩm. Tại các nước phát triển chất chống gỉ ñã ñược nghiên cứu, sản xuất từ rất lâu và không ngừng ñược cải tiến, các hãng này luôn giữ bí mật công nghệ và thành phần của chúng không ñược công bố cụ thể. Tại Việt Nam, các sản phẩm chất chống gỉ phục vụ cho ngành cơ khí gia công kim loại chủ yếu ñược cung cấp bởi các hãng nước ngoài với giá thành cao, thời gian cung ứng chậm. Công ty APP là một doanh nghiệp ñi lên từ viện nghiên cứu, có bề dày kinh nghiệm trong nghiên cứu, sản xuất và triển khai thương mại hóa các sản phẩm dầu mỡ bôi trơn. Việc nghiên cứu sản xuất chất chống gỉ sử dụng cho ngành gia công kim loại thay thế cho sản phẩm của các hãng nước ngoài sẽ ñáp ứng nhu cầu trong nước, chủ ñộng cung ứng sản phẩm là nhu cầu cấp thiết. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết ñó, Công ty APP phối hợp cùng Công ty TNHH một thành viên Diesel Sông Công ñề xuất và ñược Bộ Công Thương phê duyệt thực hiện ñề tài " Nghiên cứu sản xuất chất chống gỉ cho ngành gia công kim loại” ñể tạo ra sản phẩm mới ñáp ứng ñược yêu cầu ñạt ra. Mục tiêu của ñề tài là: - Sản xuất ñược chất chống gỉ cho ngành gia công kim loại thay thế cho sản phẩm của các hãng nước ngoài, cụ thể là thay thế ñược dầu Rust Proof Oil của hãng Caltex (Mỹ). - Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho sản phẩm - Hạ giá thành sản phẩm - Thương mại hóa sản phẩm MỤC LỤC Trang DANH SÁCH CÁN BỘ THỰC HIỆN ðỀ TÀI MỞ ðẦU MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Chương I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……………..……………..……….. 1 I.1. ĂN MÒN VÀ HÓA CHẤT CHỐNG ĂN MÒN......................... 2 I.1.1. Khái niệm chung về ăn mòn................................................. 2 I.1.2. Các dạng ăn mòn …………………………………………. 3 I.1.3. Ăn mòn vật liệu kim loại và phương pháp bảo vệ ………. 4 I.1.3.1. Kim loại ñen…………………………..………..………… 4 I.1.3.2. Kim loại màu ………….…………………..……………... 7 I.1.3.3. Xử lí môi trường ñể bảo vệ kim loại ……………...……… 9 I.1.3.4. Sử dụng chất ức chế bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn……. 10 I.2. CHẤT CHỐNG GỈ CHO NGÀNH GIA CÔNG KIM LOẠI ... 11 I.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước ….….. 11 I.2.2. Các hóa chất sử dụng ........................................................... 13 I.2.3. Công nghệ sản xuất chất chống gỉ ....................................... 23 I.2.3.1. Quy trình công nghệ sản xuất chất chống gỉ ....................... 23 I.2.3.2. Thành phần của chất chống gỉ ............................................. 25 I.3. KẾT LUẬN TRÊN CƠ SỞ TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............. 29 Chương II. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 30 II.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................. 30 II.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................... 30 II.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ THỬ NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ........................................ 31 II.3.1. Các phương pháp phân tích ................................................. 31 II.3.2. Phương pháp thử nghiệm hiện trường ................................. 32 II.4. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU.............................................................. 33 II.4.1. Dung môi ............................................................................. 33 II.4.2. Dầu gốc ……………….…………………………………. 33 II.4.3. Phụ gia …………………………..….…………………….. 35 Chương III KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN .................................................... 39 III.1. ðiều tra tình trạng sử dụng chất chống gỉ tại Việt Nam ...... 39 III.2. Phân tích, ñánh giá dầu chống gỉ Rust Proof Oil của Caltex .................................................. 40 III.3. ðiều chỉnh thông số kỹ thuật của dầu cần nghiên cứu …… 41 III.4. Nghiên cứu, lựa chọn dung môi, dầu gốc dùng làm nguyên liệu ñể pha chế chất chống gỉ APP RP-01 ………. 42 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia ñể pha chế chất chống gỉ APP RP-01 .................................................... 43 III.5.1. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia chống oxy hóa.............................. 43 III.5.2. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia chống gỉ ................................ 47 III.5.3. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia bám dính ............................... 48 III.5.4 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia khử hoạt tính kim loại…….. 50 III.5.6. Kết luận trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lựa chọn phụ gia ………………………………………….. 52 III.6. Nghiên cứu pha chế chất chống gỉ APP RP-01……..……. 52 III.6.1. Xác ñịnh thành phần phụ gia …………..………………… 52 III.6.2. Xác ñịnh thành phần hỗn hợp dung môi, dầu gốc ……..… 54 III.6.3. Xây dựng ñơn pha chế chất chống gỉ APP RP-01................ 55 III.6.4. Quy trình công nghệ pha chế sản xuất chất chống gỉ........... 56 III.7. Thử nghiệm hiện trường ...................................................... 59 III.7.1. Mục ñích thử nghiệm ........................................................... 59 III.7.2. Nội dung thử nghiệm ........................................................... 60 III.7.3. Kết quả thử nghiệm ............................................................. 61 III.8. Xây dựng tiêu chuẩn sản phẩm ........................................... 63 III.9. Khả năng thương mại hóa ................................................... 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................... 65 III.5. DANH MỤC PHỤ LỤC …………..……………………..…… CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ (viết tắt của tiếng Anh American Society for Testing and Materials) IP Tiêu chuẩn do Viện Dầu mỏ Anh ban hành (viết tắt của tiếng Anh Institute of Petroleum) AP Alkyl phenol DPA Diphenylamin DEA Diethanolamin MEA Monoethanolamin TEA Triethanolamin SAP Trị số xà phòng TAN Trị số axít tổng TETA Tetramintriethylen TEPA Pentamintetraethylen TXP Trixylyl photphat TCP Tricresyl photphat DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng I.1. Các hóa chất sử dụng cho chất chống gỉ phổ biến và ứng dụng ……………………………………..……… 14 Các phương pháp chuẩn theo ASTM sử dụng trong ñề tài......................................................................... 31 ðặc tính kỹ thuật của các loại dung môi ñược chọn ñể khảo sát........................................................................ 34 ðặc tính kỹ thuật của các loại dầu gốc ñược chọn ñể khảo sát………………………….…………………… 35 Bảng II.4. ðặc tính kỹ thuật của phụ gia chống oxy hóa………........ 36 Bảng II.5. ðặc tính kỹ thuật của phụ gia khử hoạt tính kim loại ....... 36 Bảng II.6. ðặc tính kỹ thuật của phụ gia bám dính............................ 37 Bảng II.7. ðặc tính kỹ thuật của phụ gia chống gỉ............................ 38 Bảng III.1. Dầu chống gỉ ñang ñược sử dụng tại các cơ sở gia công kim loại trong nước ........................................................ 39 Bảng III.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của dầu chống gỉ Rust Proof Oil ........ 40 Bảng III.3. ðiều chỉnh thông số kỹ thuật của chất chống gỉ APP RP-01……………………………….. 41 Kết quả khảo sát mất mát do bay hơi của phụ gia chống oxy hóa................................................ 44 Bảng III.5. Khảo sát hiệu quả của phụ gia chống oxi hóa ………….. 45 Bảng III.6. Khảo sát nồng ñộ sử dụng của các phụ gia chống gỉ......... 48 Bảng III.7. Khảo sát mất mát trọng lượng của các phụ gia bám dính................................................... 49 Bảng III.8. Mất mát do bay hơi của phụ gia khử hoạt tính kim loại ... 50 Bảng III.9. Ăn mòn tấm ñồng của phụ gia khử hoạt tính kim loại …. 51 Bảng II.1. Bảng II.2. Bảng II.3. Bảng III.4. Bảng III.10. ðộ bền chống oxy hóa của phụ gia khử hoạt tính kim loại…………………………………… 51 Kết quả nghiên cứu lựa chọn phụ gia ñể sản xuất chất chống gỉ APP RP-01………………..…….. 52 Bảng III.12. Thành phần phụ gia ñóng gói APP A901…………. 53 Bảng III.13. ðặc tính kỹ thuật của phụ gia ñóng gói APP A901.. 54 Bảng III.14. Kết quả khảo sát hỗn hợp dung môi, dầu gốc ñể pha chế chất chống gỉ APP RP-01………….. 55 Bảng III.15. ðơn pha chế chất chống gỉ APP RP-01……………..….. 55 Bảng III.16. Kết quả phân tích chống gỉ APP RP-01…….………….. 56 Bảng III.17. Chỉ tiêu kỹ thuật của chất (dầu) chống gỉ ñể thử nghiệm hiện trường…….………….…………….. 59 Bảng III.18. Lựa chọn các chi tiết thử nghiệm……………..………… 60 Bảng III.19. Kết quả các chi tiết máy thử nghiệm ñể tiếp xúc trực tiếp với không khí và ñể trong nhà xưởng….……… 61 Kết quả các chi tiết máy thử nghiệm cất trong hòm gỗ và ñể trong nhà xưởng………………………….. 62 Kết quả các chi tiết máy thử nghiệm ñược bao gói trong giấy tẩm…………………………………... 62 Tiêu chuẩn cơ sở chất chống gỉ APP RP-01 công bố tại Công ty APP………………………………… 63 Bảng III.11. Bảng III.20. Bảng III.21. Bảng III.22. DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình I.1. Cấu trúc của borat ..……………………………………... 20 Hình I.2. Cấu trúc của Amine borat ..……………………………... 20 Hình I.3. Cấu trúc ester Phosphate .....…………………………….. 21 Hình I.4. Cấu trúc vòng Nitơ phổ biến …………………………… 22 Hình III.1. Ảnh hưởng của loại và nồng ñộ phụ gia ñến khả năng chống oxy hóa của dầu ………………………………….. 46 Hình III.2. Mất mát trọng lượng của các phụ gia bám dính ................ 49 Hình III.3. ðộ ổn ñịnh nhiệt và mất mát do bay hơi của phụ gia khử hoạt tính kim loại ……………………… 50 Ảnh hưởng của loại và nồng ñộ phụ gia khử hoạt tính kim loại …………………………. 51 Hình III.5. Thành phần phụ gia ñóng gói APP A901 ………………. 53 Hình III.6. Sơ ñồ quy trình công nghệ sản xuất chất chống gỉ APP RP-01……………………………….. 58 Hình III.4. TÓM TẮT ðỀ TÀI Nhiệm vụ ñặt ra của ñề tài "Nghiên cứu sản xuất chất chống gỉ cho ngành gia công kim loại" là : - Sản xuất ñược loại dầu chống gỉ cao cấp ñạt chất lượng ñể sử dụng cho ngành gia công kim loại thay thế sản phẩm cùng loại của các hãng nước ngoài. - Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho sản phẩm - Hạ giá thành sản phẩm - Thương mại hóa sản phẩm ðể ñạt ñược mục tiêu ñề ra, ñề tài ñã tiến hành khảo sát tình hình sử dụng chất chống gỉ tại Việt Nam, khảo sát ñánh giá ñặc tính kỹ thuật của một số chất chống gỉ hiện ñang cung cấp tại Việt Nam, từ ñó xây dựng kế hoạch nghiên cứu. ðề tài ñã khảo sát toàn diện các dung môi, dầu gốc, phụ gia hiện có phổ biến trên thị trường Việt Nam và thế giới, từ ñó lựa chọn ñược các loại dung môi, dầu gốc, phụ gia phù hợp ñể sản xuất sản phẩm của ñề tài ðề tài ñã xây dựng ñược quy trình sản xuất sản phẩm trên dây truyền sẵn có tại Công ty APP phù hợp với ñiều kiện Việt Nam. Sản phẩm của ñề tài ñã ñược kiểm tra, thử nghiệm tại Công ty TNHH một thành viên Diesel Sông Công ñạt kết quả rất tốt. ðã xây dựng Tiêu chuẩn cơ sở của sản phẩm dùng làm cơ sở ñể cung cấp sản phẩm ra thị trường. Sản phẩm của ñề tài có giá rẻ (khoảng 50.000 - 55.000 ñồng), rẻ hơn nhiều so với các hãng nước ngoài (70.000 ñồng). Hiện nay sản phẩm của ñề tài ñã ñược ñặt hàng và tương lai sẽ mở rộng ra nhiều sản phẩm dựa trên cơ sở của ñề tài. Như vậy ñề tài ñã ñạt ñược các kết quả ñăng ký với Bộ Công Thương. Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP Chương I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Gỉ là một thuật ngữ chung ñể chỉ sự ăn mòn của sắt và hợp kim của nó do tác dụng hoá học và ñiện hóa với môi trường xung quanh. Trong phần này chúng tôi trình bày tổng quất hơn về hiện tượng gỉ, ñó là sự ăn mòn kim loại. Ăn mòn là một hiện tượng rất phổ biến của kim loại. Vấn ñề ăn mòn xuất hiện trong tất cả khía cạnh của công nghệ, nó gây ra những hậu quả nghiêm trọng như làm hư hại các thiết bị, giảm hiệu suất của máy móc, gây ô nhiễm các sản phẩm, thực phẩm,… Thậm chí ăn mòn còn gây ra những tai họa rất lớn cho các lò phản ứng hạt nhân, máy bay, tên lửa, các thiết bị tự ñộng. Không chỉ có vậy, ăn mòn còn là trở ngại trong việc tung ra những sản phẩm mới thuộc lĩnh vực công nghệ cao và trong các lĩnh vực cơ khí do chúng thường xảy ra một cách không thể lường trước ñược. Trong nhiều trường hợp, ăn mòn có thể trở thành yếu tố ngăn cản sự thành công của các công nghệ mới nhiều hứa hẹn. Có thể nói ăn mòn gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn cả về trực tiếp lẫn gián tiếp. Người ta ñã tính ñược rằng giá tiền chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng thu nhập quốc dân ñối với những nước có nền công nghiệp phát triển, chi phí này tính cho các khoản sau: - Những mất mát trực tiếp: Tiền chi phí cho việc thay thế các vật liệu ñã bị ăn mòn và những thiết bị xuống cấp do ăn mòn gây ra. - Những tổn thất gián tiếp: Chi phí cho việc sửa chữa số lượng sản phẩm giảm chất lượng trong quá trình sản xuất hoặc bị mất mát do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra. - Chi phí cho các biện pháp ñể phòng ngừa: Chi phí cho các biện pháp ñể bảo vệ chống hiện tượng ăn mòn kim loại. Thông thường, chi phí trực tiếp ít hơn rất nhiều so với chi phí gián tiếp. 1 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP I.1. ĂN MÒN VÀ HÓA CHẤT CHỐNG ĂN MÒN I.1.1. Khái niệm chung về ăn mòn Ăn mòn thường bắt ñầu xảy ra trên bề mặt rồi phát triển sâu vào bên trong kèm theo sự biến ñổi thành phần và tính chất lý hóa của kim loại hoặc hợp kim. Ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hoá khử không thuận nghịch ñược xảy ra giữa kim loại và chất oxi hoá có trong môi trường xâm thực. Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân thành hai dạng chính: ăn mòn hóa học và ăn mòn ñiện hóa. a, Ăn mòn hóa học Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong ñó kim loại phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường (các electron của kim loại ñược chuyển trực tiếp ñến các chất trong môi trường) và không xuất hiện dòng ñiện. Tuy nhiên ăn mòn hóa học có tốc ñộ ăn mòn chậm và không phải là quá trình phá huỷ kim loại chủ yếu. Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những thiết bị của lò ñốt, các chi tiết của ñộng cơ ñốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt ñộ cao. Nhiệt ñộ càng cao, thì tốc ñộ ăn mòn càng nhanh. b, Ăn mòn ñiện hóa Ăn mòn ñiện hóa là sự phá hủy kim loại do kim loại (không nguyên chất) tiếp xúc với dung dịch chất ñiện li tạo nên dòng ñiện. Do xuất hiện pin ñiện nên tốc ñộ ăn mòn ñiện hoá nhanh hơn rất nhiều so với tốc ñộ ăn mòn hoá học. Ví dụ: Phần vỏ tàu biển chìm trong nước, ống dẫn kim loại ñặt trong lòng ñất, kim loại tiếp xúc với không khí ẩm… Vì vậy, ăn mòn ñiện hoá là loại ăn mòn kim loại phổ biến và nghiêm trọng nhất. Các ñiều kiện (cần và ñủ) ñể phát sinh ăn mòn ñiện hoá: - Kim loại bị ăn mòn phải không nguyên chất. 2 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP - Các ñiện cực phải tiếp xúc với nhau (trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn). - Các ñiện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch ñiện li. Bản chất của ăn mòn ñiện hoá: Là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các ñiện cực. I.1.2. Các dạng ăn mòn Có thể nói rằng hoạt ñộng ăn mòn phá huỷ kim loại do môi trường gây ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: - Thành phần hóa học, vi cấu trúc của kim loại - Thành phần hóa học của môi trường - Các thông số vật lý - nhiệt ñộ; sự ñối lưu; sự phát xạ v.v... - Những tác ñộng cơ học - sự va ñập; ma sát; ứng lực v.v... ðộ bền chống ăn mòn của kim loại không hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất vốn có của kim loại mà chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của mặt giới hạn kim loại - môi trường và tất nhiên là phụ thuộc vào thành phần hoá học, trạng thái cấu trúc cũng như tính chất ñiện hoá của mặt giới hạn pha. Vậy sự ăn mòn kim loại diễn ra rất phức tạp và ña dạng. Sau ñây là một số dạng ăn mòn ñiển hình thường gặp ñược phân loại dựa vào trạng thái bề mặt kim loại bị phá huỷ. a) Ăn mòn ñồng ñều (uniform corrosion): là sự mất ñi một lượng ít hoặc nhiều vật liệu kim loại ñược phân bố một cách ñồng ñều trên mọi phần của bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn (ăn mòn kim loại do môi trường axit) b) Ăn mòn Ganvani (galvanic corrosion): (pin ăn mòn) còn ñược gọi là ăn mòn lưỡng kim loại, nó xảy ra là do sự hình thành pin ñiện từ hai kim loại và không ngừng làm giảm ñộ bền kim loại. c) Ăn mòn hang hốc (crevice corrosion): là do sự hoạt ñộng của pin ñiện gồm hai ñiện cực ñược tạo ra tại hai vị trí trên kim loại tiếp nhận oxi với mức 3 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP ñộ khác nhau. Tại các khe kim loại hoặc các chỗ kim loại bị che khuất do gấp khúc, tiếp nhận oxi trong khí quyển với lượng thấp hơn thì nó ñóng vai trò là anot, tại ñó kim loại bị hoà tan. d) Ăn mòn ñiểm (pitting corrosion): Dạng ăn mòn này thường xảy ra trên bề mặt kim loại ñược bảo vệ bằng một lớp màng mỏng (Al2O3/Al) tiếp xúc với dung dịch chất ñiện li có mặt một số anion và chủ yếu là anion clo (Cl-). Anion tác dụng lên màng mỏng tạo ra các lỗ nhỏ có kích thước cỡ vài chục micromet và làm mất tính bảo vệ của màng dẫn ñến sự phá huỷ kim loại. e) Ăn mòn ven tinh thể (intergranular corrosion): là sự phá huỷ kim loại có tính chọn lọc tại chỗ nối các hạt tinh thể, và là một pha ñược kết tinh lại do xử lý nhiệt tạo ra. f) Ăn mòn chọn lọc (selective corrosion): là sự oxi hoá một thành phần của hợp kim và thường tạo ra một cấu trúc kim loại xốp. g) Ăn mòn mài mòn (erosion corrosion): là sự ăn mòn kim loại gây ra do tác ñộng cơ học vào bề mặt kim loại. Ví dụ sự ăn mòn xảy ra tại chỗ kim loại có dòng chất lỏng chảy qua rất nhanh. h) Ăn mòn ứng lực (stress corrosion cracking): sự rạn nứt kim loại do tác ñộng ñồng thời của sự cưỡng bức cơ học và xảy ra phản ứng ñiện hoá khi kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Ví dụ sự rạn nứt của máy bay, sự rạn nứt của các nồi phản ứng hoá học làm việc ở áp suất cao v.v... I.1.3. Ăn mòn vật liệu kim loại và phương pháp bảo vệ Trong phần này sẽ lần lượt giới thiệu một số kim loại, hợp kim thông dụng về hai phương diện: tính chất ăn mòn của vật liệu và biện pháp nâng cao ñộ bền chống ăn mòn của nó. I.1.3.1. Kim loại ñen Thép cacbon thấp Thép cacbon thấp là hợp kim của sắt chứa một lượng cacbon từ 0,05 ÷ 1%. Thép cacbon thấp ñược dùng rộng rãi trong ngành xây dựng vì giá thành 4 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP thấp, dễ tạo hình. Thép này không bền, chống ăn mòn kém trong môi trường không khí, trong ñất cũng như trong nước tự nhiên và nó thường phải ñược bảo vệ. Trong không khí khô thép này không bị ăn mòn vì có lớp màng mỏng chặt sít oxit bảo vệ, nhưng ở nhiệt ñộ cao nó bị ăn mòn. Trong không khí ẩm ở nhiệt ñộ thường, vì trên bề mặt thép có màng nước nên xảy ra phản ứng ăn mòn theo cơ chế ñiện hoá. Theo thời gian gỉ sắt phát triển thành các lớp xốp và làm giảm tốc ñộ ăn mòn thép. Nếu trong không khí có tạp chất, ví dụ Cl– ở vùng ven biển, sự hấp thụ Cl– của các lớp gỉ làm thay ñổi hình thái lớp gỉ, ñôi khi làm tăng tốc ñộ ăn mòn thép. Sự có mặt của SO2 trong khí quyển có thể bị hấp thụ bởi các lớp gỉ và dẫn ñến sự axit hoá các lớp gỉ, làm tăng sự khử oxi và tăng ñộ dẫn ñiện của dung dịch thúc ñẩy quá trình ăn mòn thép. Trong môi trường nước gần trung tính (nước máy, nước biển, nước ao hồ) tốc ñộ ăn mòn kim loại thường diễn ra rất chậm, nhưng khi tăng nhiệt ñộ tốc ñộ ăn mòn tăng lên Trong môi trường axit thép bị ăn mòn ñáng kể nếu không ñược bảo vệ. ðối với môi trường axit yếu, lượng ion H+ thấp, tốc ñộ ăn mòn ñược quyết ñịnh bởi giai ñoạn khuếch tán ion H+ ñến bề mặt kim loại. Trong môi trường ñất nồng ñộ oxi thấp vì vậy sự ăn mòn thép ñược gây ra là do hoạt ñộng của vi khuẩn khử ion sulfat ñể tạo ra H2S và xảy ra phản ứng: Fe + H2S → FeS + H2 Thép hợp kim thấp Thép hợp kim thấp gồm sắt và một lượng nhỏ khoảng dưới 2% các nguyên tố hợp kim Cu, Ni, Cr, P hoặc tổ hợp chúng lại sẽ tạo ra vật liệu có ñộ bền chống ăn mòn cao ñối với môi trường ăn mòn khí quyển. Trên bề mặt của thép hợp kim thấp tạo ra lớp oxit Fe3O4 có cấu trúc chặt 5 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP sít ngăn cản sự tác ñộng của môi trường làm giảm quá trình gỉ hoá tiếp theo. Lớp bảo vệ này bền trong môi trường khí quyển nông thôn cũng như khu công nghiệp hoặc khi thay ñổi thời tiết nắng mưa. Ăn mòn gang Hàm lượng cacbon trong gang lớn hơn 2%. Gang xám chứa 2 ÷ 4% C và 1 ÷ 3% Si. ðộ bền chống ăn mòn của nó trong nước cao hơn thép mềm, nếu thêm 3% Ni ñộ bền cơ học tăng lên, ñộ bền chống ăn mòn ñược cải thiện. Trong gang trắng lượng cacbon tồn tại ở dạng Fe3C, nó cứng và giòn, khi bị ăn mòn Fe3C ñể lại các lỗ chứa graphit và thường gọi là ăn mòn graphit hóa. Thép không gỉ Thép chứa một hàm lượng lớn các nguyên tố Cr, Ni, Si... (thép hợp kim cao) có ñộ bền chống ăn mòn cao vì các nguyên tố trên dễ dàng tạo ra các màng thụ ñộng. Hợp kim có thành phần Cr > 12% dễ dàng bị thụ ñộng trong dung dịch nước do sự khử oxi. - Thép không gỉ ferit Loại thép này hàm lượng cacbon thấp, có 16 ÷ 30% Cr, ñôi khi có Mo và các nguyên tố khác. Crom là nguyên tố ổn ñịnh trạng thái ferit và giữ ñược cấu trúc mạng lập phương tâm. Thép không gỉ ferit là loại sắt từ. Sự kết tủa của cacbua crom làm giảm ñộ bền chống ăn mòn ở nhiệt ñộ cao, nó có khuynh hướng phát triển hạt gây khó khăn cho việc hàn. Thép này ñược dùng trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm và công nghiệp ô tô. - Thép không gỉ Mactensit Thép này chứa hàm lượng Cr khoảng 13% ÷ 17% và nhiều cacbon hơn thép ferit. Nhiều thép Mactensit có lượng Cr thấp hơn 11% (thực ra không phải là thép không gỉ). Loại thép Mactensit 11,5 ÷ 13,5% Cr có thể bền cứng, 6 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP nó là loại sắt từ khó hàn, khả năng chống ăn mòn cao. Thép này ñược sử dụng làm trục bơm, pittông, van của hệ thống thuỷ lực, các chi tiết của tuốc-bin hơi. - Thép không gỉ Ostenit Khi thêm Ni vào thép không gỉ Cr sẽ mở rộng vùng Ostenit và cải thiện cơ tính của thép. Loại này có thành phần: 16 ÷ 25% Cr và 8 ÷ 20% Ni, C < 0,08%; nếu có mặt Mo thì khả năng thụ ñộng của thép tăng lên. Loại hợp kim này ñược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, chế tạo các dụng cụ nhà bếp. I.1.3.2. Kim loại màu ðồng và hợp kim ñồng ðồng và hợp kim ñồng là loại vật liệu dẫn nhiệt và dẫn ñiện tốt, có ñộ bền cơ học và bền chống ăn mòn cao Trong môi trường axit không chứa oxi, ñồng không bị ăn mòn ñể giải phóng hiñro. Sự ăn mòn ñồng chỉ xảy ra trong môi trường có chứa oxi hay là chứa các cặp oxi hóa khử có ñiện thế E0Red > E0Cu2+/Cu = 0,34V. Nếu có mặt các ion hoặc hợp chất Cl–, NH3, CN–, khi ñó thế cân bằng của ñồng E0Cu2+/Cu chuyển về phía âm hơn, cho nên nó bị ăn mòn tạo thành các hợp chất phức. Trong nước thiên nhiên, nước biển là trung tính hoặc hơi kiềm tốc ñộ ăn mòn ñồng xảy ra rất chậm, một lượng nhỏ ion ñồng ñủ giết chết các vi sinh, hầu hà, tảo bám trên nền kim loại ñồng. Sự kìm hãm quá trình ăn mòn ñồng trong các môi trường trên là vì kim loại ñồng bị che phủ bởi oxit Cu2O. Tốc ñộ ăn mòn ñồng khoảng 25 ÷ 50 µm/năm trong môi trường nước biển tĩnh. Khi có dòng chảy vì màng Cu2O bị phá vỡ tại các mép nên tốc ñộ ăn mòn tăng lên. ðồng bền trong không khí. Các mái nhà bằng ñồng có ñộ bền chống ăn mòn cao, tuổi thọ hàng thế kỉ. 7 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP - Các hợp kim của ñồng Khi thêm các nguyên tố hợp kim như Sn, Zn, Al, Ni, Be vào ñồng thì tính chất cơ học của ñồng tăng lên một cách ñáng kể. Cu-Zn và Cu-Sn thuộc loại hợp kim có ñộ bền cơ học và ñộ bền chống ăn mòn rất cao (nhà kiến trúc bằng kim loại cổ nhất xấp xỉ 4000 năm). ðồng thau Cu-Zn (30% Zn) ñược sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các thiết bị trao ñổi nhiệt và ngưng tụ cho các thiết bị nhỏ: ô tô, tủ lạnh… Nếu thêm vào hợp kim một lượng nhỏ As (0,02 ÷ 0,06% As) sẽ nâng cao ñộ bền chống ăn mòn vật liệu và loại trừ ñược hiện tượng ăn mòn chọn lọc kẽm. Có thể dùng vật liệu Cu-Zn 30% hoặc Cu-Zn29Sn1 (có thể có As) làm thiết bị ngưng tụ hoặc thiết bị lạnh công nghiệp với nước có mặt ion Cl–. Niken và hợp kim niken Trong môi trường axit không có tính oxi hoá: dung dịch HCl loãng, dung dịch H2SO4 loãng… niken bị hoà tan chậm hơn sắt. Màng thụ ñộng của Ni kém bền so với màng oxit Crom. Trong nước biển tĩnh niken dễ bị ăn mòn ñiểm. Niken rất bền trong môi trường kiềm ñặc, trong NaOH nóng chảy. - Hợp kim Ni-Cu: (70%Ni - hợp kim Monel) bền trong nước biển. Hợp kim này không dùng trong môi trường oxi hoá mạnh. - Hợp kim Ni-Cr: 80% Ni, 20%Cr - Nimonic; Ni76Cr16Fe7 - Inconel là những hợp kim dễ dàng bị thụ ñộng và ñược dùng thay thế thép không gỉ trong ñiều kiện không ñáp ứng yêu cầu chống ăn mòn. - Hợp kim Ni-Mo: Hợp kim Ni60Mo20Fe20 (Hastelloy A) và Ni65Mo30Fe5 (Hastelloy B) bền trong môi trường HCl, H2SO4 60% ở mọi nhiệt ñộ. Hợp kim Ni59Mo17Cr14Fe6W5 (Hastelloy C) bền trong môi trường oxi hóa. 8 Báo cáo tổng kết ñề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ – Công ty APP Nhôm và hợp kim nhôm - Nhôm nguyên chất Ở 250C thế ñiện cực tiêu chuẩn của nhôm E0Al3+/Al = -1,66V rất âm nên không bền nhiệt ñộng học. Trong không khí nhôm ñược bảo vệ nhờ màng oxit Al2O3 có ñộ dày khoảng 5 ÷ 20nm, vì thế nhôm bền trong không khí ngay cả khi có SO2, cũng như trong nước. Trong dung dịch có pH > 4, ion Al3+ kết hợp với OH– tạo ra Al(OH)3 khó tan và sau ñó chuyển thành Al2O3.nH2O. Khi tăng pH của môi trường Al có thể bị ăn mòn vì oxit nhôm và hiñroxit nhôm là lưỡng tính. Sự ăn mòn nhôm trong môi trường kiềm kèm theo sự giải phóng hydro. - Hợp kim nhôm ða số hợp kim nhôm có tính bền cơ học cao và ñược sử dụng rất rộng rãi trong kiến trúc, xây dựng và các ngành công nghệ cao sản xuất ô tô, máy bay, các dụng cụ nhà bếp. Trừ các nguyên tố Zn, Be, Mg, khi nhôm tiếp xúc với các nguyên tố ñều tạo thành pin Ganvanic, khi ñó Al bị hoà tan. ðộ bền chống ăn mòn của hợp kim nhôm thay ñổi trong một phạm vi rộng tuỳ thuộc vào thành phần hợp kim. Hợp kim Al-Cu ñiển hình là Dura có thành phần: Cu4Mg0,6Mn0,6SiFe0,7. I.1.3.3. Xử lí môi trường ñể bảo vệ kim loại - Trong môi trường khí quyển, làm giảm ñộ ẩm là một biện pháp hạn chế sự ăn mòn có hiệu quả. Nếu ñộ ẩm dưới 50% thì tốc ñộ ăn mòn rất nhỏ. Có thể sử dụng các chất hút ẩm silicagel ñể làm khô không khí. Trong không gian bao kín (bao gói) các cấu kiện có thể dùng các chất ức chế bay hơi ñể hạn chế tốc ñộ ăn mòn kim loại. - Làm nóng không khí trong không gian chứa các cấu kiện cũng là một biện pháp giảm ñộ ẩm. - Trong dung dịch chất ñiện li, sự ñiều chỉnh pH về môi trường trung tính, loại trừ oxy… ñể hạn chế sự ăn mòn kim loại 9