Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá trình hoà tan anốt hợp kim nhôm silíc

Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ điện hóa các hợp kim, Al-Zn, Al-Mg, AE Mg-Zn, được dùng làm anôt hy sinh bão vệ ăn mòn [1, 2, 3, 4] Việc nghiên cứu bảo vệ nhôm và hợp kim nhôm kh

Trang 1

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHIỆ IOÁ HỌC

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÒA TAN ANỐT HỢP KIM

NHOM-STLIC

DAO TIEN HAI

TIÀ NỘI 2006

Trang 2

Luận văn cao học Trường Đại học Bách Khoa IIA Nội

1.3 lính chất điện hóa và ảnh hưởng

1.3.1 Ảnh hưởng của môi trường

1.3.1.1 Ảnh hưởng của pH

1.3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ 6xy hoà tan

1.3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần hợp kim

1.4 Sự ăn mòn bơm nước trong hệ thống làm mát

CHƯƠNG 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

3.1 Tạo mẫu thí nghiệm

3.2 Các dưng địch nghiên cứu

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Trang 3

2.3.1 Phép đo đường cong phân cực

2.3.2 Phương pháp ngoại suy xác định điện thế ăn mon và đồng

an min

2.3.3 Phương pháp đo phổ tổng trở

2.3.3.1 Nội dung của phương phấp

2.3.3.2 Sơ đồ khối của phép đo phổ tổng trở

2.3.3.3, Tống trở của các quá trình điện cực đơn giản

2.3.3.4 Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức

CHƯƠNG 3: Kết quả và bàn luận

3.1 Phép đo đường cong phân cực

32 Phép đo phổ tổng trở

KẾT LUẬN

KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÔM TẮT LUẬN VĂN BẰNG LIÊNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH

Trang 4

Trang 5

1.1 | Thành phân hoá học của một số hợp kìm Al-Si (Silumin) | 12

1.2 | Co tinh cha mét sé hop kim Al-Si 12

3 | Giá trị dồng an mồn của hợp kim ALSi trong mỗi trường | 47

trung tỉnh có NaCl nồng độ Ig/1 và PEG ở các nồng độ

khác nhau

4 Giá trị dồng ăn mòn của hợp kim AI-5i trong mỗi trường 39

kidm pH» 11 ¢6 chita NaCI néng dé 1/1 va PAG ở các nồng độ khác nhau

5 'Tốc độ ăn mòn hợp kim Al-Si tính theo đơn vị (m/năm)| trong các dung dịch nghiên cứu 61

Trang 6

Ludn văn cao học Trường Đại học Bách Khoa IIA Nội

1.1 | Giãn đỗ pha của hợp kim AI-Sï 13

1.3 | Hình ảnh mô tả sự hình thành vùng nghèo đồng đo tiết CHAI; | 18

1.4 | Hình ảnh ăn mồn bơm nước trong hệ thống làm mát 18

2.3 Để thị xác định Beor VA ico theo phuong ph4p ngoai suy 24

24 | Đồ thị bidu din hinh hye cia Z(@) Irên mật phẳng phức | 26 2.5 Mạch lương đương của một bình điện hóa 26

2.6 | Sơ đồ khối của phép đo phổ tổng trở 27 2.7 | Mạch lương đương Lổng trở Randlcs 29

2.8 | Mạch tương đương của bình điện phân 30

2.9 | Biểu diễn phố tổng trở trên mặt phẳng phức 31

3.1a | Đồ thị dường cong phân cực của Al-Si trong nước cất 33

3.1b | Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của AI-Si trong 34

nước cất dạng logarit 3.2a | Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dich 35

PHG nồng độ 5g/1 3.2b_ | Đồ thị biểu điển đường cong phân cực của AI-Si trong 35

dưng dịch PEG nông độ 5g/1 dạng logariL 3.3a | Đồ thị dường cong phân cực của Al-Si trong dung dịch 37

NaCl nồng độ Ig/1 3.3b | Đồ thị biểu điễn đường cong phân cực của Al-Si trong 37

dung dich NaC1 nồng 46 Ig/l dang logarit

3.4a | 6 thị đường cong phản cực của Al-Si trong dung dich 38

Trang 7

3.5 | Để thị đường cong phân cực của AI-Sĩ trong dung dich 45

gồm NaCl nồng độ Iz/1 và PEG nồng độ Ig/1 dạng logariL

3.6 | Đồ thị đường cong phân cực của Al-Sì trong dung dich 45

gồm NaC] nồng độ 1g/1 và PEG nồng độ 3g/1 dang logarit

3.7 | Đổthị đường cong phân cực của Al-Sï trong dung dich 46

gém NaCl néng dé 1g/1 và PEG nồng độ 7g/1 dạng logarit

3.8 | Đồ thị đường cong phân cực của Ai-Si trong dung dịch 46

gém NaC! néng d6 1g/l va PEG néng độ 9g/1 dạng logarit

3.9a | Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dich 48

NaOH nồng độ 0.1g/I

3.Øb | Đồ thị biểu điễn đường cong phân cực của Al-8i trong 48

dung dịch NaOH nồng độ 0.1g/I dạng logarit

3.10a | Đề thị đường cong phản cực của Al-S¡ trong dung dịch 40

gồm NaOH nồng dộ 0.1g/4 và PEG nồng dộ 5g/1

3.10b | Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của AI-Si trong 50

dưng dịch gồm NaOH nồng độ 0.1ự/1 và PEG nồng độ 5g/1

dang logarit

3.11a | 26 thi dugng cong phan cuc cia Al-Si trong dung dich 52

gém NaOH néng do 0.1g/ va NaCl néng dé 1e/l 3.11b | Dé thị biểu dién duéng cong phan cuc cia Al-Si trong 53

dang dịch gồm NaOH nồng ¢6 0.1 g/l va NaCl néng 46 1g/1 dạng logarit

3.124 | Đồ thị dường cong phân cực của AI-Sì trong dung dịch 55

gồm NaOH nồng độ 0.1g/1, PEG nông độ 5g/1 và NaCl

nổng độ lg/1 3.12b | Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong 55

dung dịch gồm NaOH nồng ¢6 0, Ig/l, PHG néng dé Sg/l

va NaCl néng d6 Lg/l dang logaril

3.13 | Để thi biéu dién dutmg cong phân cực của AI-Si trong 57

dung dịch gồm NaO11 nồng độ 0.1g/1, PEG nồng độ Lg/l

Trang 8

3.14 [ Để thị biểu điễn đường cong phân cực của AI-5ï trong 37

dang dich gồm NaOH nồng dộ 0 1p/l, PHG néng độ 3g/1

va NaCl néng d6 1g/l dang logarit

3.15 | Đô ii biểu diễn đường cong phân cyc cla Al-Si trong 58

dung dịch gồm NaOH nồng dộ 0 Ig/l, PBG nồng độ 7g/I

va NaCl néng d6 lg/l

3.16 | Đồ thị biểu diễn đường cong phân cyc cua Al-Si trong 58

Ích gồm NaO11 nồng độ 0 Ig/I, PEG nổng độ 9g/1

và NaCl néng dO Lg/l dang logaril

dung

3.17a | Đề thị đường cong phân cực của Al-Si trong dung dich 59

gồm PBQ nồng độ 5g/1, NaCl nồng độ 1g/1 và siearic nông

độ 0.25g/1, điều chỉnh pH=I I bằng NaOH (dung dịch 9)

3.17b | Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực của Al-Si trong 60

dung dich 9 dạng logarit 3.21 | Phổ Nyquist khi do mẫu nghiên cứu trong nước cất 63

3.28 | Phổ Nyquist khi đo mẫu nghiên cứu trong dung dịch gồm 72

NaOH nồng độ 0.g/1, NaCl nồng độ 1g/I và PHG nống độ 5g/1

3.29 [Phổ Nyquist khi đo nấu nghiên cứu trong dung địch gồm | 72

stearic néng dQ 0.25 g/l NaCl néng d6 1g/l va PEG néng d6 Se/l va diéu chinh dén pH=! 1 bang NaOH

Trang 9

phẩm, đồ uống đến những lĩnh vực đồi hồi kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ Ví dụ, đối với hệ hợp kin nhôm đùng để chế tạo chỉ tiết máy, ở Mỹ công nghiệp vận tải sứ dụng đến 29,2% sản lượng nhôm và hợp kim nhôm

được sẵn xuất, Các nhà sản xuất ô tô có thiên hướng ngầy càng sử dụng hợp kim nhôm nhiều hon vì giảm được trọng lượng xe, tiết kiệm được nhiên

liệu Đặc biệt trang công nghiệp hàng không trọng lượng hợp kim nhôm sử dung để chế tạo chiếm đến 80% trọng lượng thân máy bay Có thể nêu ra ở dây một số hợp kim diển hình dược ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp chế lạo máy và thiết bị: Dura (hợp kim Al-Cu), hop kim Al-Mn, Ab

8i, AI-Ti thường được sử dụng dể chế tạo thân vỏ máy bay, thân động cơ chi tiết máy, hợp kim AI-Mg-Fb, Al-Sn để chế tạo bạc động cơ Trong

lĩnh vực khoa học và công nghệ điện hóa các hợp kim, Al-Zn, Al-Mg, AE

Mg-Zn, được dùng làm anôt hy sinh bão vệ ăn mòn [1, 2, 3, 4]

Việc nghiên cứu bảo vệ nhôm và hợp kim nhôm khổi ăn mòn là nhu

cầu cấp thiết vì hậu quả của nó là làm mất tính năng, giảm tuổi thọ của chỉ tiết máy, thậm chí có thể phá huỷ toàn bộ thiết bị, làm mất an toàn trong

sản xuất và đời sống Đây là một thách thức của khoa học và công nghệ Ngoài ra thiệt hại to lớn đơ an mồn gây nên không chỉ giới hạn trong chỉ

phí bảo dưỡng thường xuyên và thay thế vật liệu mà cồn phải kể đến những nguy hại luôn rình rập đe dọa mỗi chúng ta nối riêng và môi trường nói chung Theo đánh giá hàng năm của cơ quan phất triển Liên hợp quốc

(UNDP) ở các nước công nghiệp phát triển ăn mồn kim loại làm tổn thất

-8-

Chuyên ngành: Điệu hoá và bảo vệ kêm loại (Đào Giếu 264¿

Trang 10

ñ miền

Từ lâu trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu bảo

cho nhôm và hợp kim nhôm được công bố Ngày nay với sự phát triển mạnh

mẽ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị và phương phấp nghiên cứu ngày

càng được cải tiến, giúp cho việc nghiên cứu ăn mòn hiệu quả hơn Phương

pháp phổ tổng trở điện hóa (E15) là một phương pháp nghiên cứu hiện đại

đang được sử dụng phổ biến để nghiên cứu các hệ điện hóa nói chung và ăn

xuồn nói riêng Ví dụ nhu: nhờ phương pháp RIS, John R.Scully và các cộng

sự [6] nghiên cứu đặc diém am min cha Al, hgp kim Al-Cu, Al-Si trong dung dich cé chia HF néng do khée nhau, dưa ra mô hình rnạch tưởng

đương của hệ, F.Mansfeld và cộng sự nghiên cứu, điền khiển được quá trình

ăn mòn cục bộ AI, hợp kim nhôm trong dung dich NaCl [7]

Tuy nhiên ở nước ta việc nghiên cứu quá trỉnh ăn mồn nhôm và hợp kim nhém không nhiều và có lẽ tập trung chủ yếu ở Học viện khoa học kỹ thuật không quân, tiêu biểu là đề tài bảo vệ thân máy bay khổi ăn mồn, và ở

kỹ thuật quân sự nghiên cứu bảo quần kịp nổ vỏ nhôm khỏi an

Trong công nghiệp chế tạo, hợp kin AI-Sĩ được sử dụng khá nhiều để chế tạo các chỉ tiết như: pislon động cơ, thân bơm nước làm mát xe tải hạng nặng Đây là những chỉ tiết cổ khả nang chịu mài ruồn, cơ tính thích hợp

để đúc tuy nhiên hay hồng, đặc biệt là thân bơm nước sử dụng trong xe tải hạng nặng ở mồ than rất nhanh hỏng do an mồn và bào mòn dẫn đến làm

giảm đáng kể tuổi thọ động cơ Để có thể góp phần hạn chế ản mòn thân

bơm trong hệ thống làm mát được chế tạo từ hợp kim A1-S¡ chúng tôi Thực

hiện dé tài “Nghiên cứu quá trình hòa tan anot hợp kim Al-Si” với mục đích

nghiên cứu xác dịnh nguyên nhân än mồn hợp kim AI-S¡ được lấy Fï một

-9-

Trang 11

thân bơm nước bị phá hủy do án mồn Từ việc xác định được nguyên nhân

ăn mồn của hợp kim A1-Si sẽ giúp chúng tơi tìm được các phương pháp bảo

vệ ăn mồn hữu hiệu cho các thiết bị Trong thực tế chúng (ợ chế tạo được dung dịch nước làm mát động cơ bằng cách đưa thêm vào một số chất phụ

gia ức chế ăn mồn giúp giảm thiểu đến mức tối đa khả năng bị ăn mịn bơm

nước, kéo dài tuổi thọ của hệ thống làm mát động cơ, ơn định cơng suất

Trang 12

lợp Kim AIl-Si cồn goi 14 Silumin có thành phần chính là AI và

nguyên tố hợp kim chính là Sỉ Ngoài ra dé nang cao tinh chat co lý của hợp

kim người ta thường đưa vào các nguyên tố hợp kim khác như: Cu, Mg, Zn Với thành phần chính là A1 nên tính chất hóa học cha hợp kim Al-Si

tương tự như tính chất hóa học của AI

- Al dé ding tac dyng với phi kim loại như Õ;, C1; ngay ở nhiệt dộ

thường

4AI+3O;—*>_ 2Al;Ox

Do đồ trên bẻ mật nhôm và hợp kim nhôm luôn cố một màng mỏng

ôxit AlaOa, điều này giúp cho nhôm và hợp kim nhôm bền trong môi Trường nước

-_ Trong môi trường axiL như Hz§O; loãng, HCI loãng, và các axil có tính ôxy hốa mạnh như HNO; đặc nóng, H;§O; đặc nóng, HNO;

loấng AI dễ bị hòa tan

2Al + 611"! —+ 2AP+ + 3H;

Tuy nhiên AI bị thụ động trong IINO; đặc nguội và II;SO+ đặc nguội

- Alva hop kim A] bị ăn mồn mạnh trong môi trường kiểm theo phản ứng

2AI + 2OH + 2H,0—» 2AIO; + 3H;

1.2, Tính chất eơ lý và ứng dụng |9, 10, 11]

Hap kim nhém silic (Al — 8ï) là hợp kim nhỏm có dộ dẫn nở

nhiệt rất thấp dé đúc, dễ diễn dầy rất thích hợp dể chế tạo các chỉ tiết

máy Tĩnh chất cơ lý của hợp kim AI-Sĩ như độ bên, độ dẻo phụ thuộc

nhiều vào thành phần các nguyên tố hợp kim đưa vào và công ngợi

-11-

Trang 13

kim (Mpa) | (Mpa) | (%) (Mpa) nhiệt luyện

AKI2 | 280 80 7 42 Đúc khuôn cất sau khi

biến tính

Đúc khuôn cắt, tôi và hóa

già nhân tạo Đúc khuôn cát, tôi và hóa

già nhân tạo

Đúc khuôn cất, tôi và hóa

già nhân lạo:

Thúc khuôn cất, tôi và hóa

già nhân lạo

Trang 14

Hợp kim Al-5i rất nhẹ vì AI có khối lượng riêng d = 2.7 gfem, Si la

nguyên tố hợp kim chính nhẹ hơn AI nên hợp ki Al-Sĩ được ứng dựng công nghiệp kỹ thuật cao như hàng không, vũ Irụ, chế lạo 6 10 dé lam giảm

trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu

Sĩ có độ chây loãng cao, co ngót ít, tính điển đầy tốt nên hợp kim ALSi có tính đúc rất tốt Chính vì thế chúng thường dùng để đúc các chỉ tiết lớn và trung bình như vỗ máy nén, đầu xi lanh, bầu máy động cơ máy bay,

†àu thủy

Giống như AI hợp kim Al-Si cũng có tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

nên cổ thể dùng làm các thiết bị trao đổi nhiệt trong công nghiệp

Hợp kim AI-Si khi dưa thêm vào một số nguyên tố như Mg, Cu có

dộ bên nóng cao, hệ số đấn nở nhiệt nhỏ, tính dức tốt được ứng dụng rộng

rãi để chế tạo các loại piston của động cơ đốt trong

“Tạp chất có hại cho cơ tính của hợp kim AI-Ši là Fe Sự có mật của Fe có thé tao pha B(Al-Si-Fe) kết tỉnh ở dạng tấm, giồn làm giảm độ dẻo của hợp

Trang 15

1.3, Tính chất diện hóa [5, 12]

1.3.2, Ảnh hưởng của môi trường

Ở diễn kiện bình thường nhôm và hợp kim nhôm luôn cô một lớp

màng ôxyt bao phủ bên ngoài nên chúng bến trong một số môi trường có tính ăn mồn Tuy nhiên vì lý do nào đó lớp màng ôxyt này mất đi, AI và

hợp kim nhém dé dang bị ăn min

AI bị ăn mồn theo phản ứng

AI ——* AP* + 3e

Tùy theo môi trường quá trình catốt có thể là quá trình khử phân cực H;

hoac Oz

Quá trình ăn môn với sự khử phân cực Hạ:

- Trong môi trường axit: 2I[*+2e—+* Ib

- Trong môi trường trung tính hoặc kiểm: 2II:O + 3e—*> Hạ + 20H

Quá trình ăn mờn với sự khử phân cực ©›:

- 'lrong môi trường axiL: Oz + 4H' + 4e—* 220

- Trang môi trường trung tính hoặc kiém: O2 + 2H20 + 4e-—* 40H

Qua các phản ứng ta thấy các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình än mồn nhôm

và hợp kim nhôm trong các môi trường khác nhau là: pH, nông độ O; hòa

Trang 16

Khi Poo= latm thi s(OQ2/OH) = 1.23- 0.059pH

Nhu vay khi pil thay di dien thé ctia phan ting cat6t thay déi din dén thay

đổi vận (6c an man và độ bên nhiệt động với ân mồn kim loại

a

Hinh1.2: Giản đồ E-pH của nhôm

1.3.2.2 Ảnh hướng của nẵng độ Q; hòa tan

Khi quá trình ăn mòn xảy ra với sự khử phân cực O2

Oz+2H¿O + 4v — 4OH 'Thì tốc độ ăn mon sẽ phụ thuộc vào ndng dé Oz hda tan Khi nồng độ Ó›

hòa tan tăng thì tốc độ an mon Ling vi

Da

too" = - 4K ben

D hệ số khuyếch tần (cms)

X chiều dày lớp khuyếch tán (em)

Co» néng độ Õ; hòa tan (mol/em?)

Trang 17

1.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ của hầu hết các phản ứng hóa học bao

gồm cả tốc độ của quá trình än mön vì theo phương trình Arrhenius tốc độ của phản ứng [13]:

Sự tăng này cồn phụ thuộc vào diểu kiện của môi trường mà ở đó

phản ứng ăn mồn nhôm xảy ra chẳng hạn như: áp suất, thành phần dung

dich, chế độ chuyển động ăn mồn với quá trình eatốI là sự khử phân cực Hạ thì tốc độ ăn mồn tăng theo nhiệt độ vĩ quá thế Hạ giảm khi nhiệt độ lăng,

Quá trình ăn mòn với sự khử phân cực ©› thì khi tăng nhiệt độ tốc độ ăn mồn tăng vì sự khuyếch tấn tăng, tuy nhiên tới một giới hạn nhiệt độ nào

đó, do nồng độ Os hòa tan giảm nên tốc độ ăn mòn với sự khử phân cực của

O©: có thể giảm Irong một số trường hợp do thành phần của môi trường có

chứa một sé chat Oxi hóa mạnh như KCIOs, KzCrO4 tốc độ ăn mon sé bi kìm hãm do hình thành màng ôxit trên bể mặt nhôm và hợp kim nhôm,

1431, Ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần J5, 9, 10, 1IỊ

- A1 là kim loại có điện thế rất âm {g®AI”/AI = -I.67V so với điện

cue hydro tiêu chuẩn), năng lượng tự do tiêu chuẩn AG" a##°rất dương

niên khả năng ăn mòn rất lớn Tuy nhiên thực tế nhôm va hop kim nhôm rất

bền trong nhiều môi trường: trong môi trường khí có chứa ôxy do tạo thành màng ôxít AlzO; mồng sít chất, trang dung địch nước rất đễ bị thụ động

Đặc tính này được đặc trưng bởi dạng đường cong thụ động của AI trong

-16-

Trang 18

quá trình phân cực anốt Sản phẩm của quá trình phân cực anốt phụ thuộc

rất nhiều vào giá Irị pII của môi Irường điện ly Điều này có thế thấy trên giản đồ E-pII nên khi tiếp xúc với kim loại hoặc hợn kim khác có điện thế

dương hơn trong cùng một môi trường điện ly rất dễ xảy ra hiện lượng an mồn galvanic Vi vay hop kim một pha thường bển ăn mòn hơn hợp kim da pha

- Hợp kim AI-Si thường được đưa thêm vào một số nguyên tố như

Mg, Cu để cải thiện cơ tính, tuy nhiên khi đưa thêm vào các nguyên tố đó

sẽ hình thành trong hợp kim một số pha mới Ví dụ như khi đưa đồng thời

Mg, Cu vào trong hợp kim AI-S¡ xuất hiện thêm các pha Àl,MgsCusSia, CuAl;, Mg8i› hoặc khi có Fe tuy Fe hầu như không lan trong AI nhưng tạo với AI hợp chất liên kim loại là AlsFc Chính những pha mới này có diện

thế chênh lệch với AI khá lớn nên hình thành các cập pin ân mồn galvanic

trong đó AI có điện thế âm nhất đóng vai trề là anất và bị än mòn

- Ngoài ra đo thực hiện công nghệ chế tạo và hóa bển khác nhau như

đúc, nhiệt luyện có thể làm cho tổ chức trong hợp kim khác nhau Trong

tổ chức của hợp kim xuất hiện các khuyết tật mạng như sai lệch mạng, lệch,

vùng biên giới hạt tỉnh thể, kích thước hạt do cắc yếu này mã trong hợp kim xuất hiện các vùng có hoạt tính, tính chất khác nhau, những khu vực cớ

hoạt tính cao hơn để bị ân mồn hơn Khi được nung nồng rồi làm nguội hợp kim nhôm dễ tiết các pha liên kirm loại ở vùng biên giới hạt gây nên hiện tượng ân mồn tỉnh giới (đạng an mon xảy ra ở tỉnh giới hoặc lân cận tỉnh

giới hạt tỉnh thể) do pha liên kim loại có sự chênh lệch điện thế với A1 hoặc

các vùng pha khác tổn tại trong hợp kim Ví đụ hợp kim Dura (94% AI, 4%

Cu, 2% Mg, Si, Mn) hiện tượng tiết pha CuAl: xảy ra khi đúc, khi nhiệt

luyện Giữa Cu va AI có thế điện cực tiêu chuẩn rất khác nhau (g°Cu?*/Cu =

+0.34 V, @9A12/Al= -1.67V), khi tiết pha giầu déng (CuAl chia 54% Cu)

ở biên giới hạt tỉnh thể lấy đi Cu ở vùng lăn cận làm xuất hiện vùng nghèo

-12- Chuyên ngành: Điệu hoá và bảo vệ kêm loại (Đào Giếu 264¿

Trang 19

Luận văn cao học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cu Vùng CuAl› giàu Cu có điện thế pha dương hơn giữ vai trò làm catốt,

vùng nghèo Cu có điện thế pha thấp hơn giữ vai trò làm anôt tạo thành cặp pin ăn mồn galvanie

Hình 1.3: Hình ảnh mô tả sự hình thành vùng nghèo đồng do tiết CuAlz

1.4, Sự ăn mòn thân bơm nước trong hệ thống làm mát động cơ xe tải

hạng nặng

“Trong hệ thống làm mát, bơm là bộ phận với điều kiện khắc nghiệt và

dễ bị tác động ăn mòn nhất Cánh bơm liên tục quay với tốc độ cao để đưa

dung dịch làm mát tới các bộ phận cần làm mát của động cơ như buồng nổ,

xy lanh, thân động cơ, vì vậy buồng bơm, cánh bơm sẽ chịu va đập với tốc

độ lớn

Đặc biệt khi dung dịch nước làm mát có chứa các hạt keo lơ lửng, hay

các hạt keo đã kết tủa, cận lắng, sự phá hủy cánh bơm, buồng bơm diễn ra nhanh hơn do sự bào mồn cơ học, va đập Ngoài ra cận lắng bao phủ lên bể mật kim loại làm giảm sự dẫn nhiệt va kha nang hap thụ nhiệt của nước làm

-I†#=

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại Dao Fitn Hai

Trang 20

mát dân đến nhiệt độ của hệ thống tăng Khi nhiệt độ tăng thúc đẩy hấu hết

các phản ứng hóa học trong đó có cả các phản ứng hồa tan, ăn mòn kim loại

Mặt khác, trong bơm áp suất pha lỏng thay đổi liên tục tạo điều kiện

hình thành các bọt khí Bọt khí hình thành nổ, vỡ liên tục có thể tạo lỗ, phá

hủy lớp màng bảo vệ trên bề mặt kim loại làm thúc đẩy quá trình ăn mồn trên bể mật kim loại Bọt khí sinh ra còn ảnh hưởng tới khả nâng chu

chuyển của chất lỏng, bọt khí tạo ra nhiều sẽ ngăn cản quá trình hấp thụ

nhiệt của nước làm mát và làm tâng nhiệt độ của hệ thống

Đặc biệt, các bộ phận trong bơm, do yêu cầu của các đặc tính cơ học

nên phải làm từ các hợp kim khác nhau, có điện thế khác nhau khi tiếp xúc

trong cùng môi trường điện ly là nước làm mát sẽ cố hiện tượng ân mòn galvanie, bộ phận có điện thế ám hơn đóng vai trò làm anôt và bị ấn mồn

“Thân bơm được làm từ hợp kim Al-Si có điện thế âm nhất nên dễ bị ăn mòn

Hình 1.4: Hình ảnh ân mồn bơm nước trong hệ thống làm mát

+lõ=

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại Dao Fitn Hai

Trang 21

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1, Tạo mẫu thí nghiệm

Điện cực nghiên cứu là hợp kim AI-Si cố kích thước 10 x 10 x 20 mm

được cất ra từ thân bơm trong hệ thống làm mát động cơ xe tải hang nang

Điện cực được nối với một đây đồng để dẫn điện Chỗ nối và các mặt của

điện cực được phủ epoxy có tác dụng cách điện, trừ một mặt I0 x 10 mm

Hình 2.1: Hình ảnh điện cực nghiên cứu

2.2, Dung địch nghiên cứu

Các hóa chất sử dụng cho quá trình nghiên cứu bao gồm:

-_ HạO oấi hai lần

- NaCl, NaOH tỉnh khiết của Trung Quốc

- PRG 2000(polycthylen glycol), axit stcaric tỉnh khiết của Đức

Các dung dịch nghiên cứu sit dung IO cat hai lin để pha Dung dịch

nghiên cứu bao gồm:

-20-

Trang 22

-_ Dung dịch L: HaO cất hai lần

- Dung dịch 2: dung địch PHG nồng độ 5g/!

- Dung dich 3: NaCl néng dé ig/l

- Dung dich 4: chifa NaCl néng dé 1g/i và PEG nồng độ 5g/!

- Dung dich 5: NaOH néng độ 0.Ig/1

- Dung dich 6: chita NaOH néng do 0.1 g/l va PLUG nồng độ 5g/1

- Dung dich 7: chita NaOH néng dé 0.1 g/l va NaCl néng độ Lg/l

- Dung dich 8: chtta NaOlI néng dé 0.1 g/l, PEG néng d6 Sg/l va NaCl

néng dé lg/l

- Dung dich 9: chita PRG néng dộ 5g/1, NaCl ndng dé Ig/l va stearic

nồng độ 0 25g/1 Điều chỉnh pII của dung dịch bằng dung dịch NaO11

để đạt pII=LlL

2.3, Phương pháp nghiên cứn [5, 14, 15]

Các phương pháp nghiên cứu được thực hiện với binh điện hóa 3 điện cực, trong đó điện cực nghiên cứu là điện cực hợp kim Al-8i, điện cực so

sánh là điện cực Ag/AgCIl-KCI bão hòa, điện cực đối là điện cực Pt Binh do

điện hóa 3 điện cực được kết nối với máy IM6-ex của hãng Zahner Elektrik

- Đức chứa các phản mềm đo phổ tổng trở EIS, đo đường cong phân cực C-

Trang 23

Hình 2.2: Sơ đồ thực hiện các phép đo

1 Điện cực nghiên cứu

2 Điện cực đối

3 Điện cực so sánh

2.3.1, Đo đường cong phan cực

Phép đo đường cong phân cực được dựa trên phương trình cơ bản của

Trang 24

-_n là số e tham gia phản ứng điện cực

- + = const véi F=96500, R Ja hang sé khi, T 1a nhiet độ Kenvil

- n= EB—Ew

- Co, Cr 1a néng dé dang oxi héa va dang khir tai bể mặt điện cực ở

trạng thấi cân bằng ứng với điện thế E

- Ca, COg là nồng độ của đạng oxi hóa và dạng khử tại diễu kiện cân bằng ứng với diện thế Fe

Ta có thé do dién thé n cực tại các giá tri mat d6 ding i khéc nhau hoặc

đo mật độ đồng ¡ theo điện thế, với mỗi giá trị ¡ la có ruột giá E tương ứng Phương pháp đo điện thế điện cực E theo đồng điện một chiêu có mật độ

đồng ¡ không đổi đi qua điện cực nghiên cứu gọi là phương pháp øalvanostatic (đo đường cong phân cực theo phương pháp đồng tĩnh)

Phương pháp đo giá trị mật độ dòng ¡ theo các giá trị điện thế khác nhau ấp

lên điện cực nghiên cứu gọi là phương pháp potenriostatic (đo đường cong phân cực theo phương pháp thế tĩnh)

Từ đó vẽ dược đồ thị mô tả mối quan hệ i-E Qua đồ thị vẽ dược có thể dự

đoán một số tính chất động học của quá trình điện cực

-23-

Trang 25

3.3.2, Phương pháp ngoại say [14]

Phương pháp này dựa lrên cơ sở lý thuyết là khi phân cực mạnh về ving calét hay andl thi ta có thể chỉ giữ hại số lượng đặc trưng cho quá trình

caiốt hay anốt trong phương trình động học của quá trình điện cực Đây là

quan hệ hàm mũ giữa đồng và thế nên vấn đẻ sẽ đơn giản hơn khi xây dựng

quan hệ

E.— lẹi, một quan hệ tuyến tính thuận lợi cho việc tính toán,

- Quy trình của phương pháp ngoại suy

+ Phân cực Anôt hay katốt thường là phân cực cả anôt và katốt

+ Từ đồ xây dựng đồ thị đường cong phan cực E-lgi

+ XAc dinh dién thé an mon Bron

+ Ngoại suy một phần của đường cong phan cuc dén Bron ta xác định được le

Ngoại suy có thể tiến hành được chính xác khi đường cong phân cực

đo được có một phần là thẳng Nếu trên đồ thị có một phần của đường cong phân cực (đường anốt, đường catốt hoặc cả hai) là đường thẳng thì

kếo dài phần dưỡng thẳng nây cất dưỡng thắng dược gióng tit gid tri Keor

sang song với trục lgi tại diém I Từ diểm I giồng xuống trục lgi ta sẽ xác

Trang 26

Để ngoại suy được chính xác phải cổ phẩn dogn thắng đủ đài (khoảng 50

đến 100 imV) Phương pháp ngoại suy được thực hiện đơn giản nhưng ta chỉ

đùng được các số liệu phân cực lớn (6 mién Tafel) mà không dùng các số

liệu ử gần điện thế ãn mồn

2.3.3, Phổ tổng trở J15J

2.3.3.1, Nội dung phương pháp

Nội dung: "áp dụng một dao động biên độ nhỗ của điện thế hoặc

dong điện lên hệ thống dược nghiên cứu Tín hiệu đáp ứng thường có dạng tình sin và lệch pha với dao động áp đặt Đo sự lệch pha và tổng trở của hệ

thống cha phép phân tích đồng góp của sự khuyếch tán, động học lớp kép vào quá trình điện cực”

Ví dụ: Khi ta cho một tín hiệu xoay chiều hình sin có biên độ Lo tẩn số góc

ø đi qua một hệ điện hóa, khi đó trong mạch sẽ xuất hiện một đồng điện

dap ứng hình sin cổ biên độ To cùng tẩn số gốc œ nhưng lệch pha một gồc 9

“Trong đồ: Z(m) 1a mot véc to ed médun |Z va géc léch pha Ö

j là đơn vị áo với j?=-L

-25-

Trang 27

Bất kì một hệ điện hóa nào cũng có thể biểu diễn như một mạch điện tương

đương bao gồm những thành phần sau

- Điện dung lớp kếp coi như một lụ điện có điện dung C4

Trang 28

74 06 thé xác định thco hai cách tương dương:

- _ Phân thành điện trở Rs mắc nối tiếp với một gid điện dung Cs

- Phan thanh dién trở chuyển điện tích Rer mắc nổi tiếp với một tổng

trở đặc trưng cho quả trình chuyển khối (gọi là tổng trở Warburg) Zw

‘Téng tré biéu diễn theo cách này gọi là tổng trở Randles (mạch Randles)

khi đỏ Zr thường có kí hiệu là Za

2 3.3.2, Sơ đồ khối của phép đo tổng trở

Pot/Gai ® nghiên cứu > DB | PC >

Hình 2.6: Sơ đồ khối của phép đo phổ tổng trở

1 Nguồn và thiết bị phát tín hiệu xoay chiều áp đặt cho hệ nghiên cứu

i) Hệ nghiên cứu là mét binh dign héa chứa dung địch nghiên cứu va

các điện cực bao gồm: điện cực nghiên cứu, điện cực so sánh, điện cực đối

a BO interface D/A bign di tín hiệu điện thành lín hiệu số và ngược lại

My tính PC chứa phân mềm với trình ứng dụng đo tổng trở

Máy in

wok

-27-

Trang 29

-_ Điện trở chuyển điện tích

Xét dung dịch chất điện giải bao gồm chất điện giải trơ và phần ng ở

điện cực Irường hợp tốc độ phản ứng ở điện cực bị khống chế bởi sự

chuyển điện tích theo phương trình Butler — Voliuer

Nếu phản ứng chuyển điện tích để đàng Rg 0 khi dé hé bj khéng ché

bởi quá trình khuếch tần, ta cố tổng trở khuếch tần ⁄4w

Trang 30

Hình 2.7: Mạch tương đương tổng trở Randles

2a được tính theo công thức:

C%,C% la néng dé cha dang oxi héa vA dang khit

D,,D, 1a hệ số khuếch tán của dang oxi hóa và dạng khử

o,0,14 hang s6 Warburg cila dang oxi hóa và dạng khử

a

Suy ra: Z,=Rqt-jow? v6i o=a,te,

Tach phan thực và nhần ảo của tổng trở Randles ta cổ:

Phần thực: Z)=R„ +”

Phần ảo: Z1 Tp

-29-

Trang 31

2.3.3.4, Biểu diễn tổng trở trên mật phẳng phức (đồ thị Nygqnist)

Nếu hệ thống Œănh điện phân) thốa mãn sơ đổ Randlss thï mạch tương đương của bình điện phân như hình vẽ:

Hình 2.8: Sơ đồ tương dương của bình diện phân

"Tổng trở của bình diện phân theo mạch tương dương trên là:

(Caw? +1)’ - Cha" (Req +002)

Trang 32

„ Revs yet Suy ra Re MEY ne (2.23)

Sự biến thiên của Z”theo 2’ là vòng tròn có tám tại:

Rey 2SR, +52

Trang 33

CHƯƠNG II : KẾT QUA VA BAN LUẬN

Để nghiên cứu quá trình hoà tan của mẫu hợp kim nhôm-silíc trong

mỗi trường nước cũng như các yếu tố thành phan dung dịch ảnh hưởng đến quá trình hoà tan kỹ thuật quét thế và kỹ thuật phổ tống trở đã dược áp dung trong các nghiên cứu và trình bày trong luận văn này Trên cơ sở những

nghiên cứu trong quá uình lưn luận án tốt nghiệp đại học, cũng như xuất phát từ nhụ cầu thực tiễn thành phần dung địch đã được lựa chen và trình

bày trong phần (2.2)

3.1, Phép đo đường cong phân cực

Phép do dường cong phân cực được nghiên cứu với bình điện hóa ba điện cực Các điện cực, dung dịch nghiên cứu, sơ đổ đo trình bầy trong mục

(.2) và (2.3) Như đã biết, trên bể mặt nhôm và hợp kim nhôm luôn lồn tại lớp ôxít có cấu trúc sĩ! chật Chính sự hình thành lớp ôxít này, quá trình

phân cực anổt trong môi trường nước nhôm bi thu dong Irong một khoảng

điện thế khá rộng Sự có mặt của các chất phụ gia khác nhau có thể làm thay đổi cấu trúc của màng thụ động dẫn đến mở rộng khoảng thụ động hay giảm đồng thụ động (ảnh hưởng dương), nhưng cũng có thể thu hẹp khoảng

điện thế thụ động hoặc tăng dòng thụ động (ảnh hưởng âm) Vì vậy dé thấyđược ảnh hưởng của các thành phần phụ gia đến quá trình ăn mòn hợp

kim Al-Si, quá trình phân cực diện cực Al-Si lần lượt được phân eye tong

xuôi Irường nước cấi và nước cất có bổ sung lần lượt các phụ gia dược sử

dụng Irong dung dịch nước làm mát (các dung dịch nghiên cứu dã trình bày

8 (2.2))

-32-

Trang 34

Hình 3.La: Đồ thị đường cong phân cực của Al-Si trong nước cất

Đường cong phân cực ở hình 3.Ia cho thấy khoảng điện thế thụ động

khi phân cực anốt kéo dài đến tận điện thế — 200 mV so với điện cực

Ag/AgCl Tai điện thế này (-200 mV) dòng tăng dần nhưng còn chậm Đặc

tính thụ động này bất đầu bị phá vỡ Tiếp tục phân cực anốt đến điện thế

@=+l20m„I” dòng tăng vọt, vùng thụ động bị phá vỡ hoàn toàn Hợp kim nhôm bị hoà tan Nhìn chung đường cong phân cực của hợp kim nhôm silic

trong trường hợp này là một đường trơn nhãn, không có những điểm kì dị,

điểm gẫy hay những pick của quá trình điện hóa nào đó Có thể nói mối

quan hệ dồng- điện thế tuân theo quy luật hàm mũ và lớp màng tạo thành

có cấu trúc đồng nhất và khá mỏng Có lẽ chính vì thế mà dòng tăng vọt khi

phân cực anốt đến vùng điện thế lớn hơn + 120 mV Để đánh giá chính xác điện thế ăn mòn và dòng ăn mòn, mối quan hệ Tafel giữa dòng và điện thế:

Trang 35

1.00E-01 1.00E-02 1.00E-03

= 1,00E-04 1.00E-05 1.00E-06 1.00E-07 1.00E-08

đường có đặc tính catốt, vùng có điện thế dương hơn — 0.535V đường có

đặc tính anốt Ngoại suy đồ thị hình 1 xác định được dồng ăn mdn icon=

7,8.107 A/em” tương đương với lgies= -6,Ì

“Trong thí nghiệm tiếp theo, mẫu hợp kim nhôm-silic được phân cực

trong dung dịch nước cất có chứa PEG 2000 với nồng độ 5g/I Như thấy

trên hình 3.2a dạng đường cong phân cực có sự thay đổi đáng kể Dòng có

đặc tính catốt chỉ thay đổi trong khoảng từ — 23/4 đến 0¿¿4 (hình 3.2a) so với đến - 5044 (hình 3.1a) Đặc biệt dồng mang đặc tính anốt khi không có

PEG lên đến 150/¿1 so với 20/44 khi có PEG Điều này cho thấy quá trình

hoà tan nhôm trở nên khó khăn hơn khi dung dịch có mặt PEG, hay nói khác đi PEG đã tiếp cận và bị hấp phụ trên bể mặt điện cực Sự chuyển

Fn

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại Dao Fitu Hai

Trang 36

dịch điện thế ăn mồn về phía dương hơn Ees„= - 0.316V so với Eee= -

0.535V trong dung nước cất không có PEG có thể do các ion AI** được giữ

lại trong lớp các phân tử PEG bị hấp phụ trên bể mặt điện cực Mối quan hệ

'Tafel trong trường hợp này được thể hiện trong hình 3.2b

Hình 3.2b: Đồ thị đường cong phân cực Tafel của điện cực Al-Si trong

dung dịch PEG nồng độ 5g/I dạng logarit

-3§«

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại “Đào 2iếu 260ái

Trang 37

Tir dé thi hành 3.2b giá trị điện thế án mồn xác dịnh dược là B„„= 016V

Vùng điện thế âm hơn 0.316V đường có đặc tính catốt, vùng cố điện thế đương hơn 0.316V đường có đặc tính anốt Ngoại suy đồ thị hình 2

ta xác định được giá trị dồng ăn mồn ic„=9.0.10” A/em” tương dương với

Ipicon= - 6,0 Két quả này cho thấy, sự có mật của PHG trong dung dịch nước làm cho diện cực nhôm-silic nghiên cứu bến hơn về phương diện

nhiệt động học (diện thế ăn ruồn chuyển dịch về phía dương hơn) nhưng tốc độ án mồn (dòng än mồn) lại không giảm mà tăng so với khi dung dịch không có PEG Điều này một lần nữa chứng tô rằng do có thể tạo liên kết với các phân tử PEO bị hấp phụ mà các nguyên tir Al trở nên dễ hòa tan, và ngay sau đó các cation Al** bị giữ lại ngay trên bể mặt điện cực mà

không khuếch tán vào trong dung dịch, kết quả dẫn đến sự chuyển dịch anốt của điện thế ăn mòn

Để nghiên cứu ảnh hưởng của ion Cl, NaCl được cho vào dung

dich nước với nồng dộ Ig/I Hình 3.3a thể hiện đường cong phân cực của diện cực Al-Si trong dung dịch nước có NaCl Ta thấy rất rõ một vùng

phẳng, vũng thụ động trên đường cong phân cực Khi điện thế phân cực

đạt tới giá trị khoảng +7 mV (nhỏ hơn nhiều so với giá trị +120 mV hai

trường hợp Irước) dòng tăng mạnh đạt tới giá trị 170D¿¿2/cm"2, Doug an

mền trong trường họp có NaCl cũng tăng mạnh so với hai trường hợp đã nêu, hơn nữa điện thế ăn mòn còn địch chuyển về phía âm hơn như thấy trên hình 3.3b

-36-

Trang 38

Hình 3.3a: Đồ thị đường cong phân cực của điện cực Al-Si trong

dung dich NaCl nồng độ Ig/I

Chuyển đồ thị hình 3.3a sang dạng logarit ta có:

Hình 3.3b: Đồ thị đường cong phân cực của điện cực Al-Si đo trong

dung dich NaCl néng do I g/l dạng logarit

-37+

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại “Đào Giếu 26di

Trang 39

Qua đồ thị hình 3.3b giá trị điện thế ân mòn xác định được là Ee„= -

0.832V, vùng có điện thế âm hơn — 0.832V đường có đặc tính catốt, vùng

có điện thế dương hơn — 0.832V đường có đặc tính anốt Ngoại suy đồ thị

hình 3 xác định được giá trị dồng ãn mòn ice„= 8,0.10® A/cm? tương đương VGi Igicon=- 5,1

Như vậy giống như trường hợp của PEG dòng ăn mồn tảng, nhưng khác với PEG gây chuyển dịch anốt của điện thế ăn mòn thì sự có mặt của

NaC! gay chuyén dich am Nhung điểm thú vị ở đây là khi có mặt đồng thời

NaCl (néng d6 1g/1) và PEG (nồng độ 5g/1) thì ảnh hưởng của chúng không

phải là cộng tính của các ảnh hưởng của từng trường hợp riêng rẽ mà dòng

an mồn trong trường hợp này xấp xỉ dòng än mòn trong trường hợp chỉ có PEG và thấp hơn một bậc so với trường hợp chỉ cé NaCl

Hình 3.4a: Đồ thị đường cong phân cực của điện cue Al-Si trong dung dịch

gồm NaCl nồng độ Ig/I và PEG nồng độ 5g/1

-38-

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại Dio Fitn Hai

Trang 40

Hình 3.4b: Đồ thị đường cong phân cực của điện cực Al-Si trong dung dich

gồm NaCl nồng độ Ig/I và PEG nồng độ 5g/1 dạng logarit,

Kết quả trên hình 3.4b cho thấy giá trị điện thế än mòn xác định được

trong dung dịch gồm NaCl nồng độ Ig/I và PEG nồng độ 5g/I (dung dịch 4)

14 Econ = - 0.784V, vùng có điện thế âm hơn E‹s« đường có đặc tính catốt, vùng có điện thế dương hơn E«e„ đường có đặc tính anốt Như vậy, so với khi

chỉ có NaCI việc bổ sung PEG vào dung dịch có NaCI đã làm chuyển dịch

điện thế ăn mòn về phía anốt Ngoại suy đồ thị hình 3.4b ta xác định được giá trị của dồng ăn mồn i«„= 9,5.I07 A/em” tương đương với lgico„= -6.0

Qua đồ thị đường cong phân cực khi đo mẫu trong: nước cất (dung

dịch 1)-hình 3.1a, dung dịch PEG nồng độ 5g/1 (dung dịch 2)-hình 3.2a,

dung dịch NaCl nồng độ Ig/1 (dung dịch 3)- hình 3.3a, dung dịch chứa PEG nồng độ 5g/1 - NaCl nồng độ Ig/1 (dung dịch 4)- hình 3.4a ta thấy:

~ Dạng đường cong phân cực khi đo trong các dung dịch |, dung dich

3, dung dịch 4 nói chung là giống nhau Khi điện thế tãng dòng ãn mồn ¡ tăng theo tuy nhiên có một khoảng điện thế mặc dù điện thế tăng nhưng

dòng hòa tan vẫn không thay đổi hoặc thay đổi rất ít: ở trong dung dịch I

-38-

Chuyên ngành: Điện hoá và bảo vệ kim loại Dao Fitu Hai

Tiêu đề	Nghiên cứu quá trình hòa tan anốt hợp kim nhôm silíc
Người hướng dẫn	Đào Giến Tửỏt
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Hóa Học
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2006
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	1,82 MB