TIỂU LUẬN ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU ĐỀ TÀI Ăn mòn chân chóng xe máy Vật liệu là thép xây dựng và trong môi trường không khí gần biển

TIỂU LUẬN ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU ĐỀ TÀI Ăn mòn chân chóng xe máy Vật liệu là thép xây dựng và trong môi trường không khí gần biển

2 Khả năng thích nghi, khả năng thay thế……… 5

3 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam hay ký hiệu khác 6

II Cấu trúc tổ chức vật

liệu……… 8

III.Phương pháp tạo ra vật liệu này trong thực tế…… 9Phương pháp kiểm tra, đánh giá vật liệu……….10Phương pháp kiểm tra……….11Phương pháp đánh giá……… 12

I Cơ chế ăn mòn và biện pháp chống ăn mòn…….15

Cơ chế ăn mòn……… 17Biện pháp chống ăn mòn

II Bảo vệ, bảo hành vật liệu……… 21III Giải quyết rác thải sau khi sử dụng……… 22

IV Đề xuất……… 23

LỜI NÓI ĐẦU

Ăn mòn kim loại là hiện tượng phá hủy các vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc do tác dụng điện hóa giữa kim loại với môi trường bên ngoài

Việc chống ăn mòn kim loại là một vấn đề cấp bách cả

về mặt kinh tế cũng như công nghệ Hiện nay, khoảng 25% lượng thép sản xuất ra hàng năm được dùng để thay thế chonhững thiết bị bàng thép bị han rỉ

Có nhiều phương pháp để chống ăn mòn kim loại, trong

đó biện pháp sơn chống gỉ là phổ biến nhất Trong bài tiểu luận này ta sẽ đi sâu nghiên cứu về cấu tạo và biện pháp chống ăn mòn chân chống xe máy làm bằng thép xây dựng

I Tên vật liệu: thép cacbon hợp kim thấp.

* ứng dụng trong thực tế:

Thép cacbon hợp thấp được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy, xe hơi, xe tải, cần trục, cầu và công trình xây dựng đòi hỏi cường độ chịu lực lớn, và môi trường nhiệt độrất thấp

* Khả năng thích nghi: hầu hết trong tất cả các môi trường

* Khả năng thay thế: có thể dùng nhiều vât liệu khác như inox, nhựa polyme… để thay thế

* Ký hiệu theo TCVN:

II Cấu trúc tổ chức của vật liệu

Thép hợp kim thấp có độ bền cao được gọi như vậy vì nó chỉ chứa một lượng rất ít Một loại của nó chỉ chứa có

0,15% C, 1,65% Mn, <0,035% P & S Chúng có thể chứa một lượng nhỏ đồng, niken, niobi, nitơ, vanađi, crôm, mô lip đen, silic, hoặc ziriconi Thép hợp kim thấp có độ bền cao có thể còn được gọi là "vi hợp kim", khi chúng chỉ bao gồm một lượng các nguyên tố hợp kim hóa nhỏ làm cho giátrị sử dụng rộng rãi Chỉ một lượng 0,10% niobi và vanađi

có thể cải thiện được tính năng cơ khí của thép thông

thường Viêc bổ sung các nguyên tố trên giúp biến đổi vi cấu trúc của thép cacbon

III Các phương pháp tạo ra vật liệu này trong thực tế:

-Nguyên liệu sản xuất thép này là gang, sắt phế liệu và khí oxi là chính để sản xuất thép

- Nguyên tắc sản xuất thép: oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, sillic mangan

- Quá trình sản xuất thép: Thổi khí oxi vào lò gang nóng chảy ở nhiệt độ cao, khí oxi oxi hóa các nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, S, P sản phẩm thu được là thép

IV Các phương pháp kiểm tra , đánh giá vật liệu:

4.1.Phương pháp kiểm tra (phương pháp hoa lửa).

a Phương pháp thông thường (dùng đá mài):

Phương pháp này thường sử dụng máy mài bàn (VD: máy mài

2 đá) để tạo hoa lửa, đôi khi cũng có thể sử dụng máy mài cầm tay

Đá mài phải quay với tốc độ tối thiểu là 23 m/s (vận tốc dài),thực tế nên điều chỉnh trong khoảng 38 ~ 48 m/s Đá mài nên

sử dụng loại thô và cứng (loại oxit nhôm hoặc carborundum –SiC)

Chiều dài của hoa lửa phụ thuộc vào lực mài à rất khó so sánhnếu nếu lực mài mẫu khác nhau Trong thực tế, lực mài saocho chùm tia lửa của thép 0.2% C có chiều dài khoảng

500mm thường được dùng làm lực chuẩn

Để tránh ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời hoặc để điều chỉnh

độ sáng xung quanh, cần thiết phải sử dụng các loại màn chehoặc buồng tối Khi mài, để mẫu tiếp xúc nhẹ với đá mài

Hướng của chùm tia lửa nên theo phương ngang hoặc hơi

chếch lên trên Và vị trí quan sát nên ở phía sau hoặc bên phảicủa chùm tia

Để nhận biết chính xác hơn, nên có thêm mẫu chuẩn (đã phântích chính xác thành phần hóa học) để làm mẫu đối chiếu

Các mẫu thử cần được làm sạch bề mặt, loại bỏ các lớp thấm(C, N), các lớp oxit và thoát carbon Có thể thực hiện bằngcách mài sâu

Khi kiểm tra, cần quan sát kỹ chùm hoa lửa từ gốc đến ngọn(theo hình 1) Đặc biệt cần chú ý vào một số đặc điểm sau:

Chùm tia lửa: màu sắc, số lượng, độ sáng, chiều dài các tialửa.Hoa lửa: màu sắc, số lượng, hình dạng, kích cỡ

Trở lực mài: theo cảm giác ở tay khi mài mẫu

Chú ý: bề mặt đá mài phải vệ sinh thường xuyên để tránh bám vụn kim loại (dùng cà đá)

Hình 1 Giản đồ đặc tính hoa lửa của thép Carbon

Hình 2 Đặc điểm hoa lửa của thép Carbon

b Phương pháp dùng khí nén:

Phương pháp này nung mẫu kiểm đến khi nóng đỏ rồi thổi khí trực tiếp lên mẫu Khí nén sẽ cung cấp đủ lượng oxy cần thiết để làm cháy bề mặt mẫu và tạo ra hoa lửa

Phương pháp này tạo ra luồng hoa lửa có chiều dài lớn hơn àdễ quan sát hơn à độ chính xác cao hơn so với dùng đá mài

Do áp suất khí có độ ổn định cao nên việc so sánh, đối chiếu hoa lửa giữa các mẫu khác nhau trở nên dễ dàng hơn nhiều

c Phương pháp kiểm tra tự động:

Bằng việc sử dụng các thiết bị quan sát và phân tích quang phổ, phương pháp này cho độ chính xác cao hơn rất nhiều lần so với quan sát bằng mắt và hoàn toàn không phụ thuộc kỹ năng cũng như kinh nghiệm của người kiểm tra

4.2 Phương pháp đánh giá độ bền thép

Để đánh giá độ bền của thép người ta dựa vào các chỉ tiêu sau :

Ăn mòn trong các môi trường

*Oxy

Tốc độ ăn mòn của thép trong dung dịch trungtính hoặc kiềm ở nhiệt độ bình thường chỉ đáng

kể khi có mặt oxy hòa tan Màng oxít sắt từ

Fe3O4 chỉ bền khi không có oxyhòa tan Do đó bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến độ hòa tan oxy cũng sẽ ảnh hưởng tương ứng đến tốc độ

mòn sẽ giảm trong hệ hở (vì oxy thoát ra được)nhưng vẫn tiếp tục

tăng trong hệ kín (oxy bị giữ lại) Do đó phải giảm oxy hòa tan đến mức tối thiểu để tránh

ăn mòn trong các nồi hơi kín, nhiệt độ cao

Sự khác nhau về độ vận chuyển oxy hòa tan còn dẫn đến sự ăn mòn cục bộ do chênh lệch nồng độ oxy trên bề mặt thép ở nhiệt độ

thường Ngoài ra, khi hơi nước ngưng tụ tiếp xúc với không khí sẽ hấp thu oxy và gây ăn mòn bể chứa, đường ống do tạo pin có mức độ thông gió khác nhau ở nhiệt độ > 50 ºC

Oxy hòa tan có thể loại bỏ bằng cơ học hoặc hóa học Đuổi khí cơ học bao gồm gia nhiệt đếnnhiệt độ gần nhiệt độ sôi của nước để giảm độ tan oxy hoặc cho một khí khác lội ngược dòng

để đẩy oxy ra khỏi nước Đuổi khí bằng hóa họcđược thực hiện nhờ phản ứng của natri sunphit hoặc hydrazin với oxy

*CO 2

CO2 từ không khí có ảnh hưởng đáng kể đến pH

và tạo các vảy không tan trên bề mặt H2CO3

tạo thành từ sự hòa tan CO2 là một chất ăn

mòn trung bình nhưng sản phẩm ăn mòn FeCO3

thường là chất bảo vệ bề mặt

* Độ ẩm

Độ ẩm là điều kiện cần thiết nhất cho ăn mòn trong khí quyển vì nó quyết định sự ngưng tụ hơi nước Nước ngưng tụ đọng lại trên bề mặt kim loại sẽ tạo thành dung dịch điện ly (khi có mặt các muối hòa tan) làm cho phản ứng ăn mòn có thể xảy ra

Độ ẩm tuyệt đối là lượng nước chứa trong 1 m3

khí, còn độ ẩm tương đối là tỉ lệ giữa lượng

nước chứa trong 1 m3 khí ở điều kiện khảo sát

và lượng nước trong 1 m3 không khí bảo hòa hơi nước ở cùng áp suất và nhiệt độ Độ ẩm tương đối được tính theo tỉ lệ giữa áp suất hơi nước riêng phần và áp suất hơi nước bảo hòa (áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với

nước tại một nhiệt độ và áp suất cho trước).Theo lý thuyết, sự ngưng tụ xảy ra khi độ ẩm tương đối đạt đến 100%, tuy nhiên trong một

số trường hợp sự ngưng tụ vẫn có thể xảy ra dù

độ ẩm tương đối nhỏ hơn 100% Hiện tượng này xảy ra khi nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt

độ môi trường, khi bề mặt kim loại có muối

hoặc khi bề mặt có các lỗ xốp

Độ ẩm chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ

Ngay trong một môi trường rất ẩm, các bề mặt sạch, không nhiễm bẩn đặt trong không khí không ô nhiễm chỉ bị

ăn mòn với tốc độ tương đối thấp

Khi không có SO2, lớp sản phẩm ăn mòn có tínhbảo vệ nên tốc độ ăn mòn thấp Khi có mặt SO2

lớp màng có tính bảo vệ kém nên tổn thất khối

lượng sẽ tăng theo thời gian Do đó các chất gây ô nhiễm như SO2, NO2, Cl¯, F¯… khi hòa tanvào lớp nước trên bề mặt sẽ tạo môi trường axít và gây ra ăn mòn kim loại.

Trong khí quyển chứa 0,01% SO2, tốc độ ăn mòn thép cacbon tăng nhanh khi độ ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn (60%) Tốc độ ăn mòn vẫn thấp khi không có SO2 dù độ ẩm đạt gần 100

%

Hiện tượng này là do sản phẩm ăn mòn FeSO4

tạo thành có tính hút ẩm, sẽ hấp thu nước khi

độ ẩm tương đối vượt qua mức độ ẩm tới hạn Các sản phẩm ăn mòn hút ẩm, và các muối khác kết tủa từ khí quyển, sẽ làm giảm độ ẩm tương đối cần thiết để gây ra ngưng tụ nước

Sự có mặt của màng nước này dẫn đến tăng thời gian thấm ướt và làm tăng mức độ ăn

mòn Chỉ khi độ ẩm tương đối thấp hơn giá trị tới hạn ứng với mỗi loại muối thì sự tạo thành màng nước mới bị loại trừ và sự ăn mòn giảm đến mức thấp nhất

* Lớp muối phủ hút ẩm, tạo gỉ và ăn mòn nền thép

+ Lớp muối phủ chuyển thành dung dịch khôngmàu, không ăn mòn

+ Lớp muối phủ khô, không ăn mòn

Từ bảng trên, sự ăn mòn là thấp nhất khi độ

ẩm tương đối thấp hơn RHcrit NaNO2 hút ẩm, nhưng lại là một chất ức chế nên không tuân theo quy luật trên

* Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng khác nhau đến ăn mòn khí quyển Nhiệt độ không khí bình thường sẽ giữ tốc độ ăn mòn tương đối thấp nhưng có thể làm tăng sự ngưng tụ màng nước trên bề mặt dẫn đến tăng ăn mòn Việc phơi ngoài ánh

sáng mặt trời sẽ làm tăng nhiệt độ và sấy khô

bề mặt dẫn đến giảm ăn mòn Do đó bề mặt che phủ thường bị ăn mòn nhanh hơn bề mặt phơi nắng trực tiếp

Sự kết hợp của độ ẩm cao, nhiệt độ trung bình cao và sự có mặt của các chất ô nhiễm công nghiệp hoặc muối biển mang theo trong không khí sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn trong khí quyển

Do đó tốc độ ăn mòn sẽ cao nhất trong các

vùng biển nhiệt đới hoặc bán nhiệt đới Thiếu một trong các yếu tố trên thì tốc độ ăn mòn sẽ thấp

* Thép hợp kim thấp độ bền cao

Thép hợp kim thấp độ bền cao (High-strength low-alloy, HSLA) có chứa vài % Cu, Cr, Ni, Si và

P không chỉ có độ bền cao mà còn cải thiện

đáng kể độ bền ăn mòn trong khí quyển Cu đóng vai trò chính trong việc nâng cao độ bền

ăn mòn, nhưng các nguyên tố khác sẽ tăng

cường tác dụng có lợi của Cu trong mọi môi trường Các nguyên tố này sẽ làm cho màng

sản phẩm ăn mòn trên bề mặt sít chặt, ít lỗ xốphơn, dẫn đến bề mặt được che kín không cho tác chất ăn mòn xâm nhập sâu hơn.

* Cơ chế điện hóa

Khi phơi ngoài không khí khô hoặc ẩm, thép sẽ tạo thành một màng oxýt rất mỏng bao gồm lớp bên trong là oxýt sắt từ, Fe3O4 (FeO.Fe2O3), bên ngoài là lớp gỉ FeOOH Fe trong oxýt sắt từ

có thể ở dạng Fe2+ (FeO) hoặc Fe3+ (Fe2O3) Cácvết nứt trên lớp gỉ FeOOH cho phép oxy từ khí quyển dễ dàng xâm nhập và oxy hóa hoàn

toàn oxýt sắt từ thành dạng hydrat Fe2O3.H2O hoặc FeOOH (Fe2O3.H2O = 2FeOOH) Các lỗ xốptrong oxýt sắt từ được làm đầy bằng nước

ngưng tụ và sản phẩm ăn mòn không tan Do

đó lớp oxýt sắt từ sẽ có tính bảo vệ trong môi trường hơi nước không ô nhiễm

Không khí xung quanh thường chứa một lượng

SO2, chất này phản ứng với nước và oxy hòa tan để tạo H2SO4 trong các lỗ xốp, dẫn đến

phản ứng hòa tan một phần màng oxit tạo

thành FeSO4 Muối này bị thủy phân sẽ cung cấp thêm môi trường axít, làm cho màng oxit

dễ hòa tan hơn, mở rộng lỗ xốp trong oxit sắt

từ và cho phép dung dịch điện ly thâm nhập dễ

dàng vào bề mặt kim loại nền Ngoài ra FeSO4

trong đó Fe3+ trong gỉ FeOOH bị khử thành Fe2+

trong Fe3O4 ở bề mặt tiếp xúc hai pha Oxy khí quyển xâm nhập ngang qua các vết nứt trong lớp gỉ có thể oxy hóa Fe3O4 trở lại thành gỉ

Các lỗ thường phát triển dưới sự khống chế hổn hợp(vừa khống chế động học, vừa khống chế khuếch tán) và cóhình dạng rất phức tạp

Trong quá trình phát triển lỗ, phản ứng thủy phân cóthể xảy ra ở phía bên trong lỗ và làm giảm độ pH (thủyphân Fe2+ tạo ra H+), cho nên bề mặt khó trở lại trạng tháithụ động

Ngoài ra, sự điện di của các ion Cl¯ về phía đáy lỗ dướitác dụng của điện trường dẫn đến việc tập trung các anionxâm thực trong lỗ, làm cho các vùng bị tấn công khó trở vềtrạng thái thụ động

Từ những lý do trên, quá trình ăn mòn lỗ là một quátrình tự xúc tác: một khi tạo thành các lỗ sẽ tạo điều kiệnthuận lợi cho việc phát triển lỗ

5.2 Biện pháp chống ăn mòn

Ăn mòn trong khí quyển có thể được khống chếbằng cách dùng các lớp phủ hoặc hợp kim hóa.Thông thường, các phân tích kinh tế chỉ ra rằngmột hệ lớp phủ trên nền thép cacbon rẻ tiền thìtốt hơn là hợp kim chịu ăn mòn, không phủ, mắc tiền hơn Tuy nhiên, nếu vẻ ngoài trang trí

và chi phí bảo dưỡng là quan trọng thì thép

không gỉ và hợp kim niken là những vật liệu thích hợp chống ăn mòn khí quyển tốt Nếu bề mặt bị che khuất hoặc không cần chú ý tới vẻ ngoài, thì việc gia tăng bề dày để bù trừ cho sự

ăn mòn có thể là biện pháp ít tốn độ ăn mòn vàtuổi thọ của thiết bị đặt trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao

Nhiệt động hóa học sẽ cho biết phản ứng nào trong (2), (3), (4) là có thể xảy ra ở những điều kiện cho trước Do đó có thể điều chỉnh điều kiện để ngăn ngừa oxyhóa trong quá trình ủ, xử

lý nhiệt và các quá trình ở nhiệt độ cao khác Tuy nhiên nhiệt động hóa học lại không thể chobiết tốc độ của các phản ứng trên

VI Bảo vệ, bảo hành vật liệu:

Thép là vật liệu dễ bị ăn mòn do các tác dụng vật lý, hóahọc của môi trường Do đó phải được bảo quản ở nơi khôráo, tránh đặt trên nền đất

Kho chứa thép phải cao ráo, thoáng, không dột, khônghắt mưa Thép trong kho phải xếp riêng từng loại Thépthanh được bó thành từng bó xếp trên các giá đỡ

Thép sợi được cuộn thành cuộn Thép lưới được cuộnhoặc để phẳng

Khi sử dụng thép phải sử dụng đúng loại, làm sạch gỉ,dầu, mỡ (nếu có)

Trong quá trình sử dụng, thép là loại vật liệu dễ bị ănmòn, dạng ăn mòn phổ biến là ăn mòn hoá học và ăn mònđiện hoá Để bảo vệ vật liệu thép cho kết cấu có thể ápdụng một số biện pháp sau:

Cách ly kim loại với môi trường bằng các lớp sơn chống

gỉ, trong một số trường hợp đặc biệt có thể dùng các lớpsơn phủ phi kim loại (men, thuỷ tinh, chất dẻo) hoặc cáclớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất

Trong những năm gần đây người ta dùng phương phápmới bảo vệ kim loại khá hiệu quả: phương pháp sử dụng

“chất cản”-cho vào môi trường để tạo nên màng chống ănmỏng trên bề mặt kim loại Thí dụ có thể dùng dầu Natrihoặc K2CrO2, Na2CO3 làm chất cản hoà tan vào nước

VII Giải quyết rác thải sau khi sử dụng

Thiếc và kẽm được sử dụng như lớp mạ bảo vệ thép chống lại các tác động của môi trường Thép mạ (tráng) thiếc là sản phẩm được sử dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm Nhưng lớp thiếc tráng rất không có lợi cho việc tái chế thép, vì khi nấu chảy thiếc sẽ tan vào thép và không thểtách ra được Nếu thép mạ kẽm chứa đồng thì ảnh hưởng cóhại của thép đối với quá trình tái chế càng tăng Hiện nay người ta giải quyết vấn đề này bằng cách dùng KOH nóng

để hoà tan và loại bỏ thiếc trước khi nấu chảy thép, hoặc phối trộn thêm sắt không chứa thiếc để giảm hàm lượng thiếc Tuy nhiên, quy trình loại bỏ như trên không thể được

áp dụng nếu lớp thiếc mạ lại bị một lớp polyme phủ trên D.J.Fray đã nghiên cứu quá trình clo hóa khi loại bỏ thiếc khỏi thép ở l300C dưới dạng SnCl4 Kết quả cho thấy không cần phải loại bỏ lớp polyme trước khi clo hóa, vì cả khí clo lẫn SnCl4 đều có khả năng phân tán qua lớp polyme.Hơi SnCl4 có thể được thu hồi dễ dàng nhờ ngưng tụ Đây

là một hóa chất có giá trị, được sử dụng cho nhiều ngành công nghiệp

Phần lớn các xe ôtô được làm từ thép mạ, vì vậy kẽm thường có mặt trong thép phế liệu Cho đến nay người ta chưa tìm cách loại bỏ kẽm trước khi nấu thép phế liệu Khi nấu thép phế liệu, kẽm sẽ bay hơi và kết tụ ở dạng ZnO trong bụi lò Bụi chứa ZnO là loại độc và phải được chôn lấp đặc biệt Hiện nay kẽm là một vấn đề gây nhiều rắc rối

và khó giải quyết khi tái chế kim loại phế liệu Hai phương pháp giải quyết từ trước đến nay (loại bỏ kẽm trước khi nấuthép và hoà tan kẽm phủ bằng dung dịch kiềm) đều có

những hạn chế Nếu xử lý thép mạ ở 7500C bằng tác nhân clo hóa (Cl2 hoặc HCl) và ở môi trường giàu oxy thì có thể loại bỏ kẽm trong khoảng 10 phút, chuyển nó thành dạng hơi ZnCl2 Sau đó ZnCl2 được ngưng tụ, tinh chế và điện phân để tạo ra kẽm hoặc ZnCl2 tinh khiết cao

VIII Đề xuất.