“ Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần dung dịch và nhiệt độ dưới tác động của sóng siêu âm đến việc tẩy rửa thép tấm

Trong công nghiệp và trong cuộc sống hiện nay vật liệu kim loại nói chung và thép nói riêng được sử dụng rất phổ biến. Một nhược điểm rất lớn của vật liệu kim loại là vấn đề ăn mòn, để khác phục nhược điểm này chúng ta cần phải bảo vệ bề mặt của chúng. Trong bất kỳ phương pháp bảo vệ bề mặt nào cũng cần phải tẩy rửa sạch lớp dầu mỡ và gỉ sét trước nguyên công bảo vệ bề mặt.Nguyên công tẩy rửa dầu mỡ đóng vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt chi tiết. Tuy nhiên hiện nay các phương pháp tẩy rửa dầu mỡ có năng suất và chất lượng không cao.Tẩy rửa dầu mỡ bàng phương pháp hóa học dưới tác dụng của sóng siêu âm là một phương pháp có hiệu quả tẩy rửa cao, thời gian tẩy ngắn và tẩy được các chi tiết có hình dạng phức tạp.Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch và nhiệt độ dưới tác động của sóng siêu âm cho thép tấm nhằm tìm hiểu sự tác động của các yếu tố nồng độ dung dịch, nhiệt độ đến quá trình tẩy rửa dầu mỡ, đồng thời tìm ra những điều kiện tối ưu cho quá trình tẩy rửa dưới tác động của sóng siêu âm.

Lời nói đầu

Ăn mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân Theo báo cáo của Ủyban ăn mòn và bảo vệ Anh thì thiệt hại do ăn mòn ở Anh chiếm 3,5% tổng sản lượng quốcdân Ở Mỹ thì chi phí này vào năm 1982 được đánh giá khoảng 126 tỷ đô la mỗi năm {2]

Ở Việt Nam có khí hậu nóng ẩm và tỉ lệ sử dụng kim loại trong công nghiệp còn rất lớncho nên thiệt hại do ăn mòn có thể lớn hơn nữa

Ăn mòn còn gây lãng phí về nguồn tài nguyên Theo tính toán, ở Anh cứ 90 giây thìcó 1 tấn thép bị biến hoàn toàn thành gỉ Ngoài việc lãng phí kim loại thì năng lượng tiêutốn để sản xuất 1 tấn thép này từ quặng sắt đủ cung cấp cho 1 gia đình trung bình trong 3tháng

Ăn mòn còn gây những bất lợi đáng kể cho con người và thậm chí ảnh hưởng đếntính mạng do ăn mòn làm hư hỏng, sụp đổ các công trình dân dụng

Thực tế cho thấy hầu hết tất cả các chi tiết kim loại khi sử dụng đều phải được bảovệ chống gỉ sét khi sử dụng, đặc biệt là đối với thép vì thép được sử dụng rộng rãi và khảnăng chống ăn mòn của thép là rất kém

Tẩy rửa bề mặt là khâu quyết định đến sự đồng đều, tránh được các khuyết tật, đảmbảo được các yêu cầu đặc biệt cho sản phẩm Bề mặt phải được tẩy thật sạch để chắcchắn rằng liên kết phân tử giữa kim loại nền và lớp bảo vệ bề mặt Việc tẩy rửa khônghoàn hảo dẫn đến tồn tại các khuyết tật trong và sau khi xi mạ, phun phủ …

Hầu hết bề mặt chi tiết kim loại khi sản xuất ra thường có các loại dầu mỡ bôichống gỉ hay thuốc đánh bóng, vết bẩn bám dính vào Lớp dầu mỡ này làm cản trở trợdung bám lên bề mặt chi tiết, làm giảm sự kết dính của chất bảo vệ lên bề mặt chi tiết

Vì vậy phải tẩy sạch dầu mỡ, gỉ sét trước khi gia công bảo vệ bề mặt là một nguyên côngrất quan trọng trong quá trình gia công bảo vệ bề mặt kim loại

Có rất nhiều phương pháp để tẩy rửa bề mặt kim loại, trong luận văn này tôi giớithiệu và tìm hiểu thêm về một phương pháp tẩy rửa bằng dung dịch dưới tác động củasóng siêu âm.

Thật ra, việc sử dụng siêu âm trong tẩy rửa vết bẩn đã được sử dụng khá phổ biến ởnước ngoài Ở nước ta chỉ mới sử dụng công nghệ này trong việc tẩy rửa các thiết bị y tếchứ vẫn chưa được sử dụng trong công nghiệp Trong luận văn này tôi giới thiệu về

phương pháp dùng sóng siêu âm trong tẩy rửa công nghiệp với nhiệm vụ “ Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần dung dịch và nhiệt độ dưới tác động của sóng siêu âm đến việc tẩy rửa thép tấm “

Tiến hành thí nghiệm để tìm ra điều kiện làm việc phù hợp, hóa chất tẩy rửa phùhợp cho quá trình tẩy rửa dầu mỡ dưới sự tác động của sóng siêu âm

Luận văn này chia ra làm 5 phần cơ bản:

 Chương 1: Tổng quan về việc tẩy rửa dầu mỡ và gỉ sét

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết sóng siêu âm và tẩy rửa dầu mỡ bằng sóng siêu âm

 Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu

 Chương 4: Thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm

 Chương 5: Kết luận

Do điều kiện thời gian còn hạn chế, nên luận văn chắc sẽ thiếu sót rất mong quýthầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn

Chương I

Tổng quan về tẩy rửa dầu mỡ và gỉ sét

Chất bẩn trên chi tiết có thể chia làm 2 loại chính:

• Chất bẩn hữu cơ (dầu khoáng, dầu mỡ, nhựa , chất dẻo và các loại polymer khác).Những chất này có xu hướng bám dính (khuếch tán) trên toàn bộ bề mặt chi tiết

• Chất bẩn vô cơ ( bụi bẩn , gỉ sét và các oxit khác ) thường hình thành ở bề mặt cácchi tiết không được bảo quản tốt, hoặc do nhiệt độ

1.1.Tổng quan về tẩy dầu mỡ:

Các phương pháp tẩy mỡ phổ biến hiện nay:

 Tẩy dầu mỡ trong dung môi

 Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm

 Tẩy dầu mỡ điện hóa

 Tẩy dầu mỡ bằng siêu âm

1.1.1.Tẩy dầu mỡ trong dung môi:

Tẩy dầu mỡ bằng dung môi là phương pháp tẩy rửa hiệu quả để loại bỏ các tạp chấthữu cơ trên bề mặt chi tiết, do đa số các chất hữu cơ đều tan trong dung môi hữu cơ Quátrình này có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng ( nhúng, tưới ) hoặc đun nóng ( chi tiết đặttrong dòng hơi dung môi ) Sau khi tẩy rửa bằng dung môi hữu cơ, bề mặt chi tiết sẽ kỵnước nên cần phải tẩy đưa chi tiết qua một công đoạn tẩy kiềm để thấm uớt bề mặt chitiết trước khi xử lý nguyên công kế tiếp

Dung môi tẩy rửa dầu ở nhiệt độ phòng thường dùng là hydrocacbon clo hóa( perchlor – ethyene, trichroethylene, trichlorotrifluoroethylene,…), các sản phẩm dầu mỏ (dầu hỏa, xăng ), rượu ( ethanol, methanol, isopropanol ) hoăïc các dung môi khác

( acetone, benzen, toluone,…) Tuy nhiên, hiện nay các hydrocacbon clo hóa rất ít được sửdụng do tính độc hại và rất đắt tiền, các dung môi như acetone, benzen, toluone rất dễcháy nên khi sử dụng phải rất thận trọng

Các dung môi dùng để tẩy nóng thường là hydrocacbon halogene hóa, tuy nhiên cácdung môi này hiện nay đã cấm sử dụng do vấn đề bảo vệ môi trường Để thay thế hiệnnay người ta dùng các dung môi hydrocacbon không bị halogene hóa, nhưng hơi của cácchất này khi trộn lẫn với oxy không khí dưới áp suất khí quyển rất dễ bị bốc cháy khi bắtlửa nên khi sử dụng phải rất thận trọng và đảm bảo an toàn phòng chống cháy

Có 3 phương pháp chính được dùng trong tẩy rửa bằng dung môi :

 Phương pháp hơi dung môi

 Phương pháp tẩy lạnh

 Phương pháp tẩy vết

1.1.2.Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm :

Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm là một trong những phương pháp thường dùng nhấtđể tẩy rửa dầu mỡ trên bề mặt kim loại trước khi xử lý: chi tiết được tưới hoặc nhúngtrong dung dịch tẩy rửa dầu mỡ rồi rửa lại bằng nước ( tốt nhất là nước ấm )

Nguyên lý của quá trình tẩy rửa dầu mỡ trong dung dịch kiềm dựa trên tính khôngtan vào nhau của dầu và nước: lớp dầu mỡ bị bóc khỏi bề mặt kim loại nhờ sức căng bềmặt, tạo thành các giọt dầu mỡ ở dạng nhũ tương trong dung dịch tẩy rửa

Quá trình tẩy rửa dầu mỡ xảy ra bốn giai đoạn: xà phòng hóa, dịch chuyển, tạo nhũtương và phân tán Xà phòng hóa là phản ứng thủy phân trong pha lỏng chuyển chất béothành các muối của axít béo và glycerin Trong giai đoạn dịch chuyển các thành phần đãxà phòng hóa sẽ tách ra khỏi bề mặt nhờ các chất hoạt động bề mặt Giai đoạn nhũ tươnghóa và phân tán nhằm giữ các hạt chất béo trong dung dịch nước và ngăn chúng tái kếthợp lại với nhau

Thành phần của dung dịch tẩy rửa dầu mỡ trong dung dịch kiềm gồm các chất vô cơ,phụ gia và chất hoạt động bề mặt

KOH và NaOH thường được sử dụng trong phương pháp này do tính kiềm caocủa chúng ( pH 12 – 14 ), phản ứng xà phòng hóa mạnh và chiếm từ 70 – 90% khối lượngdung dịch tẩy rửa Tuy vậy, những hóa chất trên không an toàn khi sử dụng cho kim loạimềm như Al và Zn ( ăn mòn ) NaOH và KOH không có tác dụng đối với mỡ khoáng, khórửa sạch Các muối silicat kim loại kiềm ( pH 11 – 12.5 ) cũng góp phần cho tính tẩy rửacủa dung dịch Các muối silicat kim loại kiềm ( pH 11 – 12.5 ) cũng góp phần cho tínhtẩy rửa của dung dịch Na2SiO3 và NaSi2O5 tẩy mỡ tốt, dễ tạo huyền phù và phân tán Tuynhiên, khi silicat bị khô lại trên bề mặt sẽ hình thành silicagen khó rửa và làm lớp mạ khóbám

Các muối photphat kim loại kiềm có pH khá thấp 9.5 – 11.5 Nhóm này cũnggóp phần kim loại không bị ăn mòn và liên kết các phân tử nước nặng làm cho chúngkhông tác động đến quá trình tẩy rửa vì chúng làm giảm độ cứng của nước

Muối cacbonat ( pH 9 – 9.5 ) thường dùng để trung hòa các phần tử acid.Na2CO3 và K2CO3 có tác dụng tạo huyền phù và nhũ tương tốt, dễ rửa, ngăn chặn mộtphần không ăn mịn kim loại, nhưng khi pH giảm thấp hơn 10, chúng mất tác dụng tẩyrửa, ưu điểm của các muối cacbonat là dễ tìm, rẻ tiền thân thiện với môi trường

Chất thấm ướt góp phần vào quá trình tẩy rửa bởi tác động giảm sức căng bềmặt của dung môi, làm cho dung môi có khả năng thấm ướt qua các vết bẩn và tẩy rửachúng Khi các chất bẩn đi vào dung dịch, các chất thấm ướt sẽ tạo nhũ với nó, ngăn cảnchất bẩn không bám trở lại chi tiết

Các chất hoạt động bề mặt là những muối của acid Cacbocylic Alkyl Sunfat ,Sunfônat , alkylaryt Sunfônat , rượu

Cấu tạo các chất hoạt động bề mặt : gồm 2 phần

Phần ưa nước và phần kị nước Hai nhóm này có tính chất đối lập nhau trong 1 phântử

Nhóm ưa nước : lôi kéo phân tử vào nước , chiếm ưu thế dễ hòa tan trong nước Khi 2 nhóm này trong phân tử đạt đến 1 cân bằng nào đó về tính tan và tính kị nước ,chất xuất hiện tính chất làm giảm sức căng bề mặt trên thoáng với không khí hoặc bề mặtngăn cách với các chất khác Các chất này được gọi là các chất bề mặt nhưng không phảilà chất hoạt động bề mặt nào cũng có tính tẩy rửa Khả năng tẩy rửa chỉ có đối vớinhữmg phân tử phần của mạch

Tính thấm ướt và tính tan bọt của các chất hoạt động bề mặt là 2 tính chất quan trọng, nó làm dễ thấm ướt với nước đối với các vật Tính tạo bọt tạo điều kiện các chất bẩnphân tán dễ trong môi trường và làm tăng bề mặt tiếp xúc với bề mặt cần tẩy rửa

Phần kỵ nước ( gốc hyđrôcacbon ) " hấp thụ " hay " hòa tan " lên các hạt dầu mỡ,còn phần ưa nước của các phân tử chất tẩy rửa hướng ra ngoài với nước , tương tác này tạothành hạt keo tích điện âm , các hạt keo này cùng dấu không kết hợp với nhau được vàcũng không trở lại bề mặt ban đầu được chúng tạo thành dung dịch nhủ tương bền vững 1.1.3 Tẩy dầu, mỡ bằng phương pháp điện hoá:

Tẩy dầu điện hóa là quá trình thực hiện trong dung dịch kiềm nóng, kết hợp tác độnghóa học của dung dịch tẩy rửa và tác động cơ của việc thoát khí sinh ra từ phản ứng điệnhóa Sự kết hợp này cho phép loại bỏ một cách hiệu quả các tạp chất bề mặt Chi tiết cóthể được treo vào anốt (tẩy dầu anốt – thoát khí oxy) hoặc treo vào catốt ( tẩy dầu catốt –thoát khí hyđrô )

Khi tẩy dầu bằng phương pháp điện hoá, ngoài quá trình xà phòng hoá, hoà tan, nhũ

tương hoá của dung dịch còn có thêm tác dụng cơ học lên màng dầu bám trên thành kim

loại do các khí thoát ra trên điện cực

Trên catốt : 4H2O + 4e → 4OH- + 2H2

Trên anốt : 4OH- + 4e → 4OH- + 2H2

Lượng hydrô thoát ra ở catốt nhiều gấp đôi lượng oxy thoát ra ở anốt, do đó tác động

cơ sẽ hiệu quả hơn nếu chi tiết được nối với catốt Tuy nhiên, sự có mặt của hydrô sẽ làmgiòn thép khi xử lý nhiệt các loại thép cacbon cao Khi tẩy dầu anốt, oxy sinh ra sẽ oxyhóa các tạp chất hữu cơ, nhưng cũng oxy hóa luôn đa số kim loại và hợp kim, do đó saukhi tẩy dầu phải khử thụ động chi tiết Để tận dụng ưu điểm của hai phương pháp, chi tiếtcó thể luân phiên tẩy dầu anốt, đảo điện để tẩy dầu catốt trong một số chu kì ( thường là

10 giây ) và kết thúc là tẩy dầu anốt

Trong một số trường hợp, khi chi tiết khó xử lý, có thể tẩy dầu catốt trong dung dịchcyanua Khi đó có thể làm việc ở nhiệt độ phòng và tránh được sự oxy hóa chi tiết, tuynhiên dung dịch cyanua rất độc hại nên ít được sử dụng

1.1.4 Tẩy dầu mỡ bằng phương pháp siêu âm :

Dùng siêu âm để tẩy gỉ có ưu điểm là khả năng tẩy sạch vết dầu mỡ ở những chỗkhông thể tới được của chi tiết cần tẩy một cách nhanh chóng

Năng lượng tần số cao được phát ra bởi một máy phát và được tạo ra thành một côngsuất lớn trên một bộ phận chuyển đổi chấn tử siêu âm Những chấn tử siêu âm này sẽ biếnnăng lượng điện này thành năng lượng cơ học rung động tần số cao với tốc độ 40000lần/giây, tạo ra sự qua lại của các sóng có áp lực cao thấp trong dung dịch tẩy Chất lỏngđược nén lại ở sóng có áp lực cao, và sau đó được giãn ra khi sóng có tần số thấp Trongkhi chất lỏng bị nén rồi giãn ra thì các bọt khí chân không sinh ra từ vô số các tiểu phânnhỏ từ từ lớn ra đến một kích thước tới hạn Tiếp theo đó, làn sóng có tần số cao tới, cácbọt khí sẽ bị ép lại và nổ tung Năng lượng nổ này rất lớn nhưng an toàn cho chi tiết vàngười bởi vì nó chỉ là năng lượng cục bộ Năng lượng này chỉ phá vỡ vết gỉ sét trên chitiết

1.2 Tẩy gỉ sét trên bề mặt kim loại :

Tẩy gỉ là quá trình tẩy các loại oxit khác loại trên bề mặt kim loại Bề mặt kim loạithường dễ bị oxi hóa, tạo một lớp gỉ bao phủ bên ngoài gồm ( từ trong ra ngoài ) FeO,

Fe3O4, Fe2O3 và các hydrôxyt của sắt (II) và (III) Do đó phải tẩy lớp gỉ này, để các chấtbảo vệ bề mặt có thể bám dính chắc chắn và tăng tính thẩm mỹ cho bề mặt kim loại.Quá trình gỉ sét bề mặt kim loại thực chất là quá trình ăn mòn kim loại Hầu hết cácchi tiết máy, các công trình kinh tế, văn hóa nghệ thuật đều làm việc trong môi trường khíquyển, do đó quá trình ăn mòn kim loại trong môi trường khí quyển rất đáng được quantâm Ăn mòn khí quyển liên quan đến nồng độ oxy, hơi nước mà trong đó các chất ônhiễm là động lực trực tiếp của quá trình mòn Hai dạng ăn mòn khí quyển được đề cậpsau đây là : ăn mòn khí quyển ẩm khô và ăn mòn khí quyển ẩm ướt.

Trong môi trường khí quyển có thể có các chất ô nhiễm thể khí như SO2, SO3, H2S,Cl2, nguy hiểm nhất là SO2 Khi phân tích sản phẩm ăn mòn thấy có mặt là các muốisunfat kim loại như: sunfat sắt, sunfat kẽm, bị hydro hóa

Ta thấy chỉ riêng hơi nước không có chất ô nhiễm SO2, cũng như chỉ riêng SO2 màkhông có hơi nước thì không nguy hiểm

Hình 1.1: Ảnh hưởng của SO 2 và độ ẩm đến tốc độ ăn mòn sắt.

1) không khí 2) không khí + 0,01% SO 2 3) không khí + 0,01% SO 2 + hơi nước

Cấu trúc của lớp gỉ sét trên bề mặt thép:

Gỉ sét dạng chân chim (gỉ giun) là dạng gỉ phát triển theo đường hẹp từ một điểm lan

ra xung quanh

Trong quá trình phát triển các đường gỉ từ các điểm khác nhau có thể gặp nhau tạimột điểm Tốc độ phát triển của các đường ăn mòn khoảng 30 đến 60 m/ ngày Các quá trình ăn mòn trong môi trường ẩm khô được khuyếch đại lên khi lượng ẩmtăng Các kết quả thống kê cho thấy, không phải tốc độ ăn mòn luôn tăng tỉ lệ thuận vớiđộ ẩm mà vai trò của nước ngưng tụ chỉ tập trung vào hai tác động cơ bản sau đây:

- Nước làm phá hủy lớp bảo vệ là sản phẩm ăn mòn hoặc được tạo thành từ cáccông nghệ xử lý bề mặt

- Nước làm hòa tan và chuyển SO2, SO3 thành axit sunfurơ và axit sunfuric

Các thí nghiệm cho thấy, cứ 1g H2SO4 tạo thành trên 1 m2 ( thì pH  2 ) khi đó sẽ ănmòn sắt Nếu có mặt cả anion Cl- thì tác hại của ăn mòn tăng lên

Ăn mòn khí quyển đối với thép cacbon thường:

Sản phẩm của quá trình ăn mòn thép cacbon là: FeSO4, FeOOH và Fe3O4 theo cácphản ứng sau:

2Fe2+ + 1/2O2 + 3H2O  2FeOOH + 4H+

Fe + H2SO4 + 6FeOOH  FeSO4 + 2Fe2O3 + 4H2O

3Fe3O4 + 3/4O2 + 9/2H2O  9FeOOH

1) Ăn mòn sắt trong không khí ẩm 2) Ăn mòn thép trong không khí ẩm

Hình 1.2 Ăn mòn sắt và thép trong không khí ẩm

Trên hình cho ta thấy từ ngoài vào mẫu thép bị ăn mòn trong môi trường khí quyểncó ẩm và chất ô nhiễm SO2 gồm hai vùng: Vùng ngoài là FeOOH và vùng trong là Fe3O4có ngậm dung dịch FeSO4.

1.2.1.Tẩy gỉ bằng phương pháp phun cơ học:

Tẩy gỉ cơ học là quá trình phun các vật liệu mài với tốc độ cao vào bề mặt chi tiếtnhư phun cát, bắn bi …

Hiệu quả của tẩy gỉ cơ học phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu mài và tốc độ phun.Các vật liệu mài có thể là kim loại ( gang thép nhôm đồng … ) hoặc không kim loại ( cát,thủy tinh …) ở dạng tròn, góc hoặc hình trụ …

Vịêc lựa chọn vật liệu mài dựa trên tính xâm thực ( khả năng truyền động năng khihạt mài va chạm bề mặt chi tiết – phụ thuộc vào hình dáng của hạt mài ), độ bền va đậpcủa hạt mài, khối lượng hạt mài và kích thước hạt mài

1.2.2 Đánh bóng cơ học:

Đánh bóng cơ học là quá trình ứng dụng ma sát cùa vật liệu mài trên bề mặt nền đểđánh bật các vết gỉ sét làm chi tiết có bề mặt bóng và láng

Khi đánh bóng cơ trên kim loại, cấu trúc của bề mặt bị biến đổi đáng kể dẫn đến cáctính chất bề mặt của nền cũng sẽ biến đổi Đánh bóng cơ học làm tăng khả năng chống ănmòn của kim loại vì làm giảm đáng kể số lượng điểm bắt đầu ăn mòn Đây là nguyêncông bắt buộc phải thực hiện trước khi phủ hóa học và điện hóa mịn

Chất lượng đánh bóng cơ phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu mài ( dựa trên khuyếncáo của nhà sản xuất ) và tốc độ đánh bóng ( kim loại càng cứng thì tốc độ mài càng thấpvà ngược lại )

Bột mài chia làm nhiều loại:

+ Loại thô từ 160 - 250μm dùng để mài thô.

+ Loại vừa từ 40 – 160μm dùng để mài tinh

+ Loại mịn từ 3 – 40μm dùng để đánh bóng

1.2.3 Tẩy gỉ bằng ngọn lửa:

Đây là một phương pháp mới để làm bong lớp gỉ, dùng ngọn lửa oxy – acetylenphun lên bề mặt thép, do lớp oxit và nền giãn nở nhiệt khác nhau nên lớp oxit sẽ tự bong

ra ra khỏi lớp kim loại nền Phương pháp này tuy hiệu quả nhưng khá chậm và thườngkhông áp dụng đối với lá thép vì lá thép sẽ cong vênh do chênh lệch nhiệt độ

1.2.4 Đánh bóng điện hóa:

Đánh bóng điện hóa là quá trình hòa tan các điểm nhấp nhô trên bề mặt để làmbóng bề mặt chi tiết Trong quá trình này chi tiết đóng vai trò là anốt trong một bình điệnphân chứa axít có nồng độ cao và sử dụng mật độ dòng điện cao

1.2.5 Tẩy gỉ bằng phương pháp hóa học :

Tẩy gỉ hóa học là phương pháp dùng axit để hòa tan các sản phẩm ăn mòn: các oxit,hydrôxyt Các axit thường dùng là HCl và H2SO4 HCl chủ yếu hòa tan các oxyt H2SO4

chủ yếu hòa tan sắt nền và khí hydro thoát ra làm tơi lớp oxyt rồi rơi ra

Dung dịch tẩy là các acid mạnh như axit sulfuric, axit chlohydric…có thêm các chấtức chế hữu cơ để hạn chế sự hoà tan kim loại nền và giảm sự thoát hydro gây giòn vậtliệu

Các chất tẩy gỉ thường dùng:

H 2 SO 4 :

Ởû nhiệt độ thường, oxit kim loại hòa tan yếu trong dung dịch H2SO4 Tăng nồng độH2SO4 không làm tăng khả năng hòa tan oxit kim loại của nó mà ngược lại còn giảm.Thực tế, khi nồng độ dung dịch H2SO4 lớn hơn 60%, lớp oxit hầu như không hòa tan Tác

dụng hòa tan oxit của H2SO4 nóng mạnh hơn nhưng cũng gây ăn mòn rất mạnh nền sắtthép và gây giòn hydro Vì vậy nếu sử dụng H2SO4 làm chất tẩy gỉ chỉ gia nhiệt lên 50 –

600C, không vượt quá 750C, đồng thời phải cho thêm chất làm chậm

Tác dụng giữa H2SO4 loãng với gỉ và nền sắt như sau:

Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O

Fe3O4 + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4 H2O

FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2  ( ưu tiên )

Fe2(SO4)3 + H2 = 2FeSO4 + H2SO4

2Fe2(SO4)3 + 2Fe = 6FeSO4

HCl:

Ởû nhiệt độ thường, khả năng hòa tan lớp oxit của dung dịch HCl mạnh, còn tác dụnghoà tan nền sắt thì lại yếu do đó sử dụng HCl là rất thích hợp vì tránh được sự ăn mònnền và giảm dòn do thấm hydro HCl có nhược điểm là bốc hơi rất mạnh nên mau gây ănmòn thiết bị, ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đế sức khỏe người công nhân làm việcnên cần phải có các phương pháp bảo vệ và trang bị các biện pháp phòng độc

Tác dụng giữa HCl loãng với gỉ và nền sắt như sau:

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl = 2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 

2FeCl3 + H2 = 2FeCl2 + 2HCl

2FeCl3 + Fe = 3FeCl2

HNO 3

HNO3 là thành phần quan trọng trong dung dịch đánh bóng điện hóa Hỗn hợp HNO3và HF dùng để tẩy lớp oxit trên chì, thép không rỉ, hợp kim nền nikel, nền sắt, nền cobalt.Hỗn hợp HNO3 và H2SO4 để đánh bóng đồng và hợp kim đồng

HF

HF có thể hòa tan hợp chất có chứa silic, hòa tan lớp oxit của nhôm, crôm Vì vậy

HF được dùng để tẩy thép không rỉ, các vật liệu đặc biệt…Tuy nhiên HF rất độc và bay hơimạnh, sử dụng HF phải có thiết bị hút độc tốt, khi sử dụng phải cẩn thận, không để tiếpxúc với da

H 3 PO 4

H3PO4 có tác dụng ăn mòn kém, vì vậy để tăng cường ăn mòn cần phải gia nhiệt Ưuđiểm của việc sử dụng H3PO4 là dung dịch của nó bám trên bề mặt chi tiết tạo thành lớpmàng muối photphat bảo vệ sự ăn mòn tiếp theo H3PO4 cũng được sử dụng trong côngnghệ đánh bóng điện hóa nhưng thông thường là dùng để tẩy gỉ mối hàn, tẩy gỉ cấu kiệntrước khi sơn

Hỗn hợp H3PO4 với HNO3, H2SO4, CH3COOH và CrO3 được dùng để đánh bóng chonhôm, đồng, các loại thép…

Chất làm chậm

Sự có mặt của chất làm chậm làm giảm bớt sự ăn mòn nền kim loại của chất tẩy gỉvà tránh sự giòn hydro Tuy nhiên, chất làm chậm tạo màng trên bề mặt nên phải rửa sạch

sau khi tẩy gỉ Chất làm chậm thường là các chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh hay nitơ trong

thành phần cấu tạo Một số chất làm chậm được sử dụng nhiều là: n-butylamine,quinoline, hexamine, upotrophine, thiourethane…

1.2.6 Tẩy gỉ có hỗ trợ sóng siêu âm :

Cũng như phương pháp tẩy gỉ điện hoá, dung dịch để tẩy gỉ siêu âm cũng là các dungdịch xâm thực mạnh như H2SO4, HCl…Ở đây, lực cơ học tác động lên lớp gỉ là do thiết bị

tạo sóng siêu âm gây nên Các chấn tử siêu âm biến năng lượng điện thành năng lượng cơhọc dao động với tần số cao giống như sóng âm Sóng này lan truyền trong toàn khối chấtlỏng làm chất lỏng bị giãn nén ở các vị trí khác nhau Khi chất lỏng bị nén rồi giãn liêntục, các bọt “khí” chân không được sinh ra, sáp nhập với nhau thành các phân tử lớn hơnrồi bị chính làn sóng siêu âm đánh vỡ Mật độ năng lượng sinh ra khi một bọt chân không

bị vỡ vô cùng lớn tuy nhiên do các bọt này rất nhỏ nên năng lượng này không gây nguyhiểm cho chi tiết mà chỉ đủ sức làm bong lớp gỉ ra nhanh hơn Phương pháp này có ưuđiểm là sóng siêu âm có thể len vào các khe nứt nhỏ và làm sạch chúng

1.2.7 Tẩy nhẹ và trung hòa:

Tẩy chi tiết trong dung dịch acid loãng trước khi đem đi mạ gọi là tẩy nhẹ, hay còngọi là tẩy gỉ bổ sungï Mục đích của tẩy nhẹ là tẩy đi màng oxit, hydroxit mỏng khi để chitiết ngoài không khí Lớp oxit phải được tẩy hoàn toàn thì lớp mạ mới bám chắc lên bềmặt vật liệu nền

Tẩy nhẹ cho chi tiết bằng sắt thép thường tiến hành ở nhiệt độ phòng trong dung dịchsau:

 Việc chọn lựa phương pháp tẩy rửa phù hợp với là điều hết sức cần thiết để cóthể tẩy các chất bẩn đạt hiệu quả và năng suất cao Ta có thể quyết định dựa trên các yếutố sau:

Loại chất bẩn cần tẩy

Vật liệu bị bám bẩn

Trạng thái bề mặt chi tiết ( nhám , bóng, hay sần sùi…)

Kích thước chi tiết

Tính bền ăn mịn của chi tiết

Giá thành

Tính thân thiện với môi trường

Đặc điểm của dao động:

* Hệ phải có một vị trí cân bằng bền và hệ dao động qua lại hai bên vị trí đó Độlệch cực đại của vật so với vị trí cân bằng gọi là biên độ

* Khi hệ rời khỏi vị trí cân bằng bền, luôn luôn có một lực kéo hệ về vị trí cân bằngbền gọi là lực hồi phục F = -kx với k hệ số hồi phục, x là độ dời của hệ so với vị trí cânbằng

* Hệ có quán tính cho nên khi chuyển đến vị trí cân bằng, do quán tính, nó tiếp tụcvượt qua vị trí cân bằng đó

* Chu kỳ của một dao động là thời gian để hệ thực hiện hoàn chỉnh một dao động

* Dao động điều hòa: Khi chu kỳ của dao động là ổn định và biên độ là không đổi tacó dao động điều hòa

Để đặc trưng cho tính tuần hòan của dao động, người ta còn dùng khái niệm tần số.Tần số là một đại lượng có trị số bằng tổng số dao động mà hệ thực hiện được trong mộtđơn vị thời gian Dễ dàng thấy rằng, tần số f liên hệ chu kỳ T của dao động điều hòa theobiểu thức:

2.1.2 Phương trình dao động điều hòa:

Chúng ta thiết lập phương trình dao động điều hòa của con lắc lò xo, cụ thể là tìm sựphụ thuộc của độ dời x của con lắc lò xo theo thời gian Viết phương trình định luật 2Newton đối với quả cầu có độ cứng lò xo là k ta có:

Gia tốc a của quả cầu cho bởi:

2 2

2 0

2.1.3 Năng lượng dao đọäng điều hòa:

Dao động là một dạng chuyển động cơ học, vì vậy năng lượng dao động là cơ năng:

trong đó m

k =0 và lần lượt là động năng và thế năng của lò xo

Ta tính động năng của con lắc lò xo tại thời điểm t theo (2.7)

kx

Công bằng độ biến thiên thế năng của con lắc lò xo từ vị trí cân bằng đến vị trí cótoạ độ x:

0

22

m là thế năng tại O, k 2

m  là thế năng tại vị trí có toạ độ x

Nếu ta quy ước thế năng của con lắc lò xo tại O bằng không, thì

2.1.4 Dao động cưỡng bức :

Trong cơ thể chúng ta những dao động thực sự là những dao động cưỡng bức, ví dụdao động của tim được thực hiện do sự co bóp liên tục của cơ tim; Khi tim ngừng co bóp cơ

thể ngừng hoạt động Dao động của hệ cưỡng bức khá phức tạp vì đó là sự chồng chất củadao động riêng tắt dần dưới tác dụng của nội lực và dao động cưỡng bức dưới tác dụngcủa ngoại lực tuần hòan Sau một thời gian đủ lớn dao động tắt dần không còn nữa; khi đódao động của hệ chỉ là dao động cưỡng bức Thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng dao độngcưỡng bức có chu kỳ bằng chu kỳ của ngoại lực tuần hòan tác dụng

Cộng hưởng

Khi tần số góc của lực tuần hòan bằng tần số dao động riêng của hệ lúc đó biên độdao động cưỡng bức đạt giá trị cực đại, ta nói có hiện tượng cộng hưởng Tần số góc củalực tuần hòan được gọi là tần số cộng hưởng Cộng hưởng được sử dụng trong một sốphương pháp trị bệnh bằng cách dùng ngoại lực từ các máy kích thích tuần hoàn (ví dụ nhưcác dòng điện xoay chiều tần số cao) lên một số bộ phận hoạt động kém hay bị tê liệt trên

cơ thể

2.1.5 Sự truyền sóng:

Những dao động cơ lan truyền trong môi trường vật chất (đàn hồi) được gọi là sóng

cơ Đặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trường vật chất là sựtruyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình vận chuyển vật chấttrong môi trường Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phương truyền củasóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng

Người ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc Sóng ngang là sóngmà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng Thí dụ: sóngtruyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu ( Hình 2.1a ) Sóng dọc là sóng màphương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng Thí dụ: khi ta nén vàivòng của lò xo rồi bỏ tay ra ( Hình 2.1b ) Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xochính là sóng dọc Âm thanh là một dạng sóng dọc Sóng dọc truyền được trong chất rắncũng như trong các môi trường lỏng và khí

Hình 2.1 Sóng dọc và sóng ngang

Các đặc trưng của sóng

Vận tốc sóng

Vận tốc sóng là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian Tronglý thuyết đàn hồi, người ta đã chứng minh được trong môi trường đẳng hướng, vận tốcsóng dọc bằng:

Chu kỳ và tần số

Chu kỳ T và tần số f của sóng là chu kỳ và tần số của các phần tử dao động của môitrường

Bước sóng

Hình 2.2 Bước sóng

Năng lượng của sóng

Giả sử xét một phần tử của môi trường đồng nhất và đẳng hướng, có thể tích

21

(2 )

2

Z  v f , nằm trên phương truyền sóng y Nếu hàm sóng có dạng

21

(2 )

2

Z  v f thì năng lượng của sóng trong thể tích nhỏ 1 2

(2 )2

Z  v f đó được tínhtheo biểu thức:

Z  v  f Mật độ năng lượng sóng w0 là năng lượng của sóng đi qua một đơn vị thể tích củamôi trường Từ (2.18) ta suy ra:

2 2 2 0

Ta thấy mật độ năng lượng sóng biến thiên theo thời gian Ta có thể tính giá trị trungbình của nó trong một chu kỳ Vì giá trị trung bình củatrong một chu kỳ bằng 1/2 nên theo(2.19) mật độ trung bình của sóng bằng:

2 2 0

1

(2 )2

(2 )2

Trong y học người ta dùng sóng âm (siêu âm) cho truyền qua một số bộ phận của cơthể, vận tốc truyền của sóng âm trong các bộ phận đó cho ta những thông tin quang trọngvề khối lượng riêng về độ đồng nhất Ví dụ như cho siêu âm đi qua một mảnh xương,vậntốc truyền sóng âm qua xương đó giúp ta biệt được hàm lượng Canxi và sự phân bố Canxitrong mẫu xương đó

2.2 Lý thuyết âm thanh:

2.2.1 Âm và sóng âm :

Âm thanh là sóng cơ học có biên độ nhỏ mà thính giác của con người có thể nhậnbiết được Thí dụ: sóng âm phát ra từ một nhánh âm thoa, một dây đàn, một mặt trốngđang rung động Mỗi âm đơn có một tần số riêng

Đơn vị tần số là Hertz ( viết tắt là Hz ) Hertz là tần số của một quá trình dao độngâm mà cứ mỗi giây vật thực hiện được một dao động Dao động âm có tần số khoảng từ

20 - 20.000 Hz Những dao động cơ có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm, trên 20.000 Hz gọilà siêu âm Như vậy, sóng âm nghe được có bước sóng từ 20m ( 2cm trong chân không )

f < 20 Hz 20 Hz < f < 20.000 Hz f > 20000 Hz

Hạ âm Âm (nghe được) Siêu âm

Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được không có gì khác nhauvề bản chất Chúng chỉ khác nhau về phương diện tác dụng sinh lý đối với màn nhỉ Thựcnghiệm chứng tỏ âm thanh đi thành tia và nó cũng bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấpthụ như tia sáng Vì vậy, ta có thể nghe được tiếng động phản xạ từ vách đá, tiếng độngbên ngoài đi vào trong một ngôi nhà đóng kín cửa; Hai người cách nhau một bức tường cóthể trò chuyện với nhau dễ dàng

2.2.2 Các đặc điểm của sóng âm:

Thực nghiệm xác nhận mọi vật rắn khi thực hiện những va chạm nhỏ với các vậtkhác đều tạo ra âm thanh Khi ta vỗ tay, khi ta khảy dây đàn, khi chân ta đá vào một qủabóng, tất cả các trường hợp đó đều tạo ra những âm thanh xác định

Vận tốc truyền âm:

Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta có thể nhậnthấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm Thực nghiệm chứng tỏ trong một môi trườngđồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vận tốc không đổi Vận tốc truyền âmthanh thay đổi khi âm thanh truyền qua các môi trường khác nhau (chất rắn, chất lỏnghoặc chất khí)

@ Trong chất khí:

- Vận tốc truyền âm không phụ thuộc vào áp suất khối khí

- Vận tốc tỉ lệ với 1

 với  là khối lượng riêng của chất khí

Vận tốc tỉ lệ với nhiệt độ, vì khi nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí tăng, khốilượng riêng bị giảm Ta có:

v v 0 1T với a = 1/273 (2.23)

v là vận tốc truyền âm ở nhiệt độ toC ; v là vận tốc truyền âm ở 0oC 0

Để tính sự phụ thuộc chính xác của vận tốc vào nhiệt độ và cả khối lượng riêng tadùng công thức Laplace:

@Trong chất lỏng:

Người ta thấy là vận tốc truyền âm truyền trong chất lỏng lớn hơn nhiều so với khitruyền trong chất khí và không khác nhau nhiều trong những môi trường chất lỏng khácnhau Vận tốc đó vào khoảng 1.400 -> 1.500 m/s lớn gấp 3 đến 4 lần vận tốc trong chấtkhí

@ Trong vật rắn:

Vận tốc truyền âm trong vật rắn lớn gấp 10 -> 15 lần vận tốc truyền âm trong khôngkhí, tức là vào khoảng 3.000 đến 4.500 m/s

2.2.3 Cường độ của âm:

Cường độ của âm là một tính chất mà dựa vào đó ta có thể phân biệt một âm mạnhhay yếu Rõ ràng cường độ âm gắn liền với biên độ và năng lượng của dao động âm Vídụ như ta đánh mạnh vào dây đàn thì âm thanh phát ra sẽ to và dễ cảm nhận hơn là đánhnhẹ vào nó

Cường độ của âm là đại lượng phụ thuộc vào khả năng cảm nhận âm thanh của conngười mà ta gọi là cảm giác âm Cảm giác âm do những sự biến đổi áp suất không khí ởgần lỗ tai, những sự biến đổi ấy liên quan đến năng lượng dao động âm tiếp nhận bởimàng nhĩ trong một đơn vị thời gian Như vậy, cường độ âm biến đổi tỉ lệ với công suất

rung tiếp nhận bởi lỗ tai Công suất này được tính bằng đơn vị là Juole/cm2s hay làW/cm2

Nếu âm thanh truyền qua môi trường hấp thụ quá mạnh, ta phải dùng công thức :

Đường phía dưới là giới hạn cực tiểu, nếu công suất rung nằm phía dưới đường giớihạn cực tiểu,có nghĩa là âm thanh có độ rung quá yếu (thầm thì) tai ta không cảm giácđược Khoảng tần số ở giữa (từ 500 - 100 Hz) là khu vực mà tai ta dễ cảm giác âm thanhnhất Các nhà sinh vật học giải thích điều này là do con người giao tiếp với nhau bởikhoảng tần số đó, cũng là khu vực tần số phát âm của loài người

Hình 2.3 Khả năng thu nhận âm theo công suất và tần số

Giới hạn cực tiểu nhỏ nhất của công suất rung nằm ngay tần số 1.000Hz Đó là âmthanh mà tai ta dễ cảm nhận hơn cả

Ta gọi nó là giới hạn công suất rung mà tai còn nghe được Pmin =10-16 W/cm2

Qui ước ứng với một âm có công suất Pmin =10-16 W/cm2 thì cường độ của nó

Cường độ âm I ứng với một công suất rung P khác được tính theo công thức:

Vậy cường độ âm cần phải cảnh giác đối với tai chúng ta có giá trị là 130 dB

2.2.4 Độ cao của âm:

Trong các âm phát ra bởi các nhạc cụ, có âm thì trầm có âm thì bổng ( thanh thoát vàcao vút ) Tính chất trầm bổng được đặc trưng bằng cao độ của âm Cao độ của âm tỉ lệvới tần số của dao động âm

Trong âm nhạc người ta dùng một số âm có tần số nhất định để tạo thành các bộ âmgiai theo cách sau:

Trong khoảng tần số từ 16Hz đến 20000Hz người ta chia làm 11 bộ âm giai (Hình2.5) Mỗi bộ âm giai gồm có 7 nốt nhạc (Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si ) Hai nốt nhạc kế cậncó thể cách nhau hai bậc ( 2B ) hoặc một bậc ( 1B ) như trường hợp hai nốt Mi và Fa hoặc

Si và Do

Hình 2.4 Bộ âm giai

Sự chênh lệch về độ cao của một bậc được tính như sau:

Nếu ta gọi f1, f2 là tần số của hai nốt kế tiếp nhau một bậc về độ cao thì:

2 11.059

f

Nếu f1 và f2 là tần số của hai nốt không kế tiếp và cách nhau k bậc, ta có:

2 1(1.059)k

f

f  , (f1 > f2) (2.31) hoặc

1

2

11.059k

Như vậy, từ một nốt ở bộ này sang cùng một nốt đó ở bộ âm giai kế cao hơn thì tầnsố tăng lên gấp đôi, còn khi chuyển sang cùng nốt đó ở bộ âm giai kế thấp hơn thì tần sốcủa nó giảm đi phân nửa

Âm Sắc

Các âm thanh phát ra từ các nhạc cụ khác nhau; giọng nói của những người khácnhau nói chung là các âm thanh phức tạp, gây cho ta những cảm giác âm thanh phong phúhơn hẳn những âm đơn (phát ra từ âm thoa chẳng hạn) Sự khác nhau về các âm thanh nóitrên đặc trưng bằng âm sắc Theo lý thuyết chuỗi Taylor và thuyết đàn hồi Helmholtz: cóthể phân tích một âm phức tạp thành những âm đơn giản mà tần số của chúng là bội sốnguyên của một tần số đơn nhỏ nhất Các âm có tần số là bội số nguyên của tần số đơnnhỏ nhất đựợc gọi chung là các hoạ âm Mỗi nhạc cụ phát ra một âm phức trong đó cáchoạ âm của âm đơn có biên độ xác định, khác nhau cho nên khi chúng tổng hợp lại chúnggây nên hiệu ứng âm thanh trên màng nhĩ chúng ta khác nhau làm cho chúng ta nhận biếtbản sắc riêng biệt của mỗi loại nhạc cụ

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định những dao động âm khác nhau về tần sốđược tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhĩ Điều này thực hiện được là donhững dao động cộng hưởng của các sợi màng nhĩ đồng thời còn do sự xuất hiện dao động

ở limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi của những phần xác định của màng

Hiệu ứng Doppler

Sự chuyển động tương đối của nguồn âm và của người nge gây ra sự biến đổi tần sốcủa âm nhận được Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng Doppler Doppler tiến hànhnhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại gần người nge, tần số mà người ngenhận được cao hơn tần số do nguồn âm đã phát ra Trường hợp nguồn âm đi ra xa ngườinge, người đó nhận được tần số thấp hơn tần số của nguồn phát

Nếu gọi u là vận tốc truyền âm trong không khí, f là tần số dao động âm được phát

ra từ máy phát, f là tần số dao động âm được người nge thu nhận khi mà người nge đang

chuyển động với vận tốc v so với nguồn phát xem như đứng yên, công thức dịch chuyểnDoppler cho ta: ( 2.33 )

Dấu - xảy ra khi người nge tiến lại gần nguồn phát âm, Dấu + xảy ra khi quan sátviên đi ra xa nguồn phát âm

Vì u là vận tốc của âm trong không khí gần bằng 330m/s và nguồn âm chuyển độngvới vận tốc không lớn sao cho u > v thì khi người nge tiến lại gần nguồn phát âm:

(2.33a)Nghiã là tần số của người nge nhận được cao hơn tần số nguồn âm phát ra

Khi quan sát viên đi ra xa nguồn phát âm:

(2.33b)Nghiã là tần số của người nge nhận được thấp hơn tần số nguồn âm phát ra

Hiệu ứng Doppler còn xảy ra cả trong sóng ánh sáng

2.3.Các ứng dụng của siêu âm:

Siêu âm dùng trong y sinh: với công nghệ hiện đại, siêu âm ngày nay được ứngdụng rộng rãi trong y sinh như siêu âm chuẩn đoán cho thai nhi, siêu âm thận, gan mật…

Đóng gói bao bì nhựa với các ưu điểm: vết hàn sít chặt, năng suất cao, khôngcần thời gian nung nóng, thời gian đáp ứng nhanh (trong vài mili giây)

Cảm biến dùng siêu âm: phát ra một chùm sóng siêu âm sau đó thu lại tín hiệuphản xạ hoặc tín hiệu truyền và truyền tín hiệu đến bộ phận xử lý, khi đó siêu âm làmviệc với chức năng là một tín hiệu cảm biến Một số ứng dụng của các cảm biến siêu âm

1 Kiểm tra độ

võng

2 Bán kính cuộn,điều khiển độ căngcủa quá trình cuộnvà xả cuộn

3 Cảm biến mứcnước

4.Cảm biến thuphát dùng để đếm

5 Kiểm tra vết

trong bãi rửa xe

10 Đếm người vào 11 Kiểm tra sự hiện

diện bên trong

12 Kiểm tra chiềudày

Hình 2.5 Ưùng dụng của siêu âm

Dùng trong tẩy rửa: khuôn đúc, sản phẩm đúc, dầu mỡ và sét gỉ… Sẽ trình bàychi tiết trong phần sau

Dùng trong việc kiểm tra khuyết tật phôi đúc

Sàn rung để sàng quặng; VT advand ultrasonic

Trong công nghiệp thực phẩm: Cắt bánh, kẹo, pizza, snack, phômai… Với ưuđiểm là vết cắt sạch, giảm hiện tượng dính dao cắt như khi cắt tĩnh Tần số phù hợp vớiứng dụng này nằm trong khoảng 20000 đến 40000 Hz

Trong may mặc: được dùng để đóng dấu hay dán lên sản phẩm may mặc, ngoài

ra siêu âm còn được dùng để tạo hình nổi, tạo những vết chạm nổi, cắt, tạo đường maynổi Các công đoạn có thể thực hiện đồng thời với tốc độ 600 feet mỗi phút

Trong xử lý nước thải: siêu âm có tác dụng cường hoá quá trình xử lý nước thảitrong các bể kỵ khí và hiếu khí, tăng khả năng phân huỷ chất thải rắn…

Ngoài ra siêu âm còn được sử dụng trong các lĩnh vực như: Điều khiển quátrình kết tinh của vật đúc, Kiểm tra không phá huỷ mẫu, Kiểm tra chiều dày của lớp mạhay lớp sơn, …

2 4 Nguyên lí tẩy rửa bằng siêu âm:

2.4.1 Sự hình thành và phá vỡ bọt siêu âm :

Hình 2.6.Sự phát triển và vỡ tung của bọt siêu âm

Ở những vật liệu có tính đàn hồi như các khí và hầu hết các chất rắn, có sự truyềndẫn liên tục khi có sóng truyền tới Đối với những vật liệu không đàn hồi như nước và hầu

hết các chất lỏng khác, chỉ có sự truyền dẫn liên tục khi biên độ của sóng tương đối thấp.Khi biên độ sóng tăng lên, áp suất âm ở vùng giãn cuối cùng cũng đủ lớn để tạo “ khe gãy

” cho chất lỏng tạo nên hiện tượng mà người ta gọi là sự sủi bọt Những bọt bong bóngnày được tạo tại vùng giãn khi mà chất lỏng bị “gãy” do áp suất âm tạo ra bởi sóng âm.Khi đợt sóng đầu đi qua, những bọt bong bóng này dao động dưới ảnh hưởng áp suấtdương, chúng phát triển lớn dần đến trạng thái không ổn định Cuối cùng, những bọt bóngnày vỡ tung phát xung động ra xung quanh Sự tiêu hủy và vỡ tung của vô số những bọtbóng diễn ra khắp nơi trong dung dịch thể hiện ảnh hưởng của siêu âm trong tẩy rửa Tínhtoán đã xác định được nhiệt độ lên đến 100000F và áp suất vượt hơn 10000PSI (~67MPa)được tạo thành tại nơi các bọt bong bóng nổ tung

Hình 2.7 Chu kỳ tạo thành bọt siêu âm

2.4.2 Tác dụng của siêu âm trong tẩy rửa:

Nhiệm vụ đầu tiên của tẩy rửa là chất bẩn phải được phân hủy hoặc hòa tan ( chấtbẩn hòa tan được ), thay thế ( đối với chất bẩn không hòa tan được ); hoặc vừa hòa tan vừathay thế đối với loại chất bẩn hỗn hợp ( chất không hòa tan bị phủ bởi dầu mỡ) Tác dụng

cơ học của sóng siêu âm hữu dụng trong trường hợp chất bẩn hòa tan lẫn không hòa tanđược

Trong trường hợp tẩy rửa chất bẩn hòa tan được, điều cần thiết là hóa chất phải đượctiếp xúc với chất bẩn, nhờ đó tiến hành các phản ứng hòa tan Hoạt động tẩy rửa đượctiến hành chỉ ở bề mặt tiếp xúc giữa hóa chất và các vết bẩn

Khi hóa chất tẩy rửa hòa tan các vết bẩn, theo thời gian sẽ xuất hiện một lớp bãohòa ngăn cách giữa hóa chất và chất bẩn Khi điều này xảy ra các hoạt động tẩy rửa sẽdừng lại, phần dung dịch bão hòa không còn tấn công các vết bẩn nữa (phản ứng hòa tangiữa hóa chất và chất bẩn) Hóa chất tẩy rửa còn lại không đến được vết bẩn.

Lớp màng bão hòa hóa chất tẩy rửa sau một thời gian tẩy

Sự tạo bọt và vỡ tung của các bọt (dưới tác động của siêu âm) rất hiệu quả trongviệc thay thế lớp dung dịch bão hòa để hóa chất (sạch) được tiếp xúc với phần chất bẩncòn lại Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc làm sạch các bề mặt lồi lõm hoặc cácphần khuất của chi tiết

Có một số chất bẩn không hòa tan được dính chặt với chi tiết bởi liên kết ion Loạichất bẩn này chỉ cần được thay thế đủ để phá vỡ lực liên kết này, hoăc các bề mặt lồi lõmkhông đều mà ta không thể can thiệp được

Các chất bẩn không hòa tan bám trên bề mặt chi tiết

Sự tạo bọt và nổ tung là kết quả của ảnh hưởng của siêu âm đến việc thay thế và tẩyrửa những chất bẩn không liên kết bền vững với bề mặt chi tiết (bụi) Để đạt hiệu quả caohơn dung dịch tẩy cần phải thấm ướt được các chất bẩn này

Hình 2.8.Tác động của bọt siêu âm đến lớp chất bần không hòa tan

Đối với những chất bẩn khó tẩy: Chất bẩn có thể không thuộc một loại nào như đãkể ở trên (hòa tan-không hòa tan, rỉ sét-dầu mỡ,…) Nó có thể là tổng hợp của tất cả nhữngloại đó Tác động của siêu âm, về cơ bản là làm tăng tốc độ hòa tan các chất bẩn hòa tanđược và thay thế đối với các chất bẩn không hòa tan được thậm chí nó còn tăng tốc độphản ứng hòa tan bởi tác động từ nhiệt độ và áp suất ngay tại những điểm bong bóng nổtung.

Hình 2.9.Mô hình bọt siêu âm vỡ tan

Hình 2.10.Tác dụng cơ học của sự nổ bọt khí siêu âm

2.5.Các yếu tố ảnh hưởng đền quá trình tẩy siêu âm:

2.5.1.Tác động của tần số đến tẩy rửa siêu âm:

Nếu tần số hoạt động thấp ( trong khoảng nghe được ) thì tiếng ồn trở thành một vấnđề đáng chú ý đến Khi tần số của thiết bị tuột xuống dưới 20 Hz, thì ta có thể nghe đượctiếng ồn rõ nhưng có thể vượt quá giới hạn an toàn cho phép đối với sức khỏe con người

Ở tần số thấp từ 20 kHz đến 30 kHz thì thường được chọn cho những chi tiết không đòi hỏichính xác Chúng thường được dùng cho những chi tiết có kích thước lớn và nặng Đối vớikiểu phát từ tần số thích hợp là 20 kHz, còn kiểu áp điện thì tần số thích hợp là 25 kHz …Tần số cao hơn được dùng cho các chi tiết nhỏ hơn, các chi tiết mỏng sẽ dễ vỡ hơnhoặc là cần tẩy vết bẩn ở những khe nhỏ Tần số cao cũng áp dụng cho những chi tiết đòihỏi độ chính xác cao Ở tần số cao thì số lượng bọt bong bóng tăng lên rất nhiều, các bọtcó kích thước nhỏ hơn bọt bong bóng ở tần số thấp nhiều, nó có thể tiến đến các khe hẹpdễ dàng Nếu nguồn phát giữ không đổi thì kích thước và năng lượng của các bọt bongbóng bị giảm bớt đi Việc này làm giảm sự nguy hiểm tối thiểu cho bề mặt chi tiết Tần sốcao cũng có tác dụng làm giảm tính nhớt của dung dịch cho phép sóng siêu âm có khảnăng “ thấy ” được những phần nhỏ của dung dịch

Hình 2.11.Quan hệ giữa bề dày lớp chất bẩn và tần sồ tẩy

Ta khảo sát ở các tần số sau: 40 kHz, 80 kHz, 120 kHz và 170 kHz Các chi tiết thuộcloại cực nhỏ thì tần số trên 350 kHz, còn các chi tiết đặc biệt đòi hỏi tính chính xác thì tầnsố khoảng 400 kHz

Hình 2.12.Hiệu quả của làm sạch ở tần số 40 kHz

Ở tần số thấp 40 kHz bọt bong bóng có tác dụng tẩy đối với chất bẩn có lớp biên bềmặt dày trong khoảng 2,28 µm, có nghĩa là các chất bẩn ở lớp biên nhỏ hơn 2,28 µm (1

µm, 2 µm) sẽ được lấy ra, nhưng chất bẩn với chiều dày nhỏ hơn 0,8 µm thì không thể táchđược

Hình 2.13.Hiệu quả của làm sạch ở tần số 40 kHz

Còn khi sử dụng sóng siêu âm có tần số cao 400 kHz sẽ tách được các chất bẩn có bềdày nhỏ hơn 0,89 µm

Kết luận:

Ở tần số thấp tẩy được các chất bẩn có bề dày cao (2,28 µm) nhưng không tẩy đượccác vết bẩn ở những lớp biên nhỏ hơn, cần phải dùng đến siêu âm tần số cao hơn mới tẩyđược các chất bẩn với lớp biên nhỏ.

Qua kết quả trên ta thấy muốn tẩy các vết bẩn một cách triệt để thì phải nên quanhiều bể tẩy với các tần số khác nhau Đi từ bể có tần số cao đến các bể có tần số thấp.2.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tẩy:

Tối ưu hóa bọt siêu âm của chất lỏng tẩy rửa là điều hết sức quan trọng và quyếtđịnh tính hiệu quả của quá trình tẩy rửa bằng siêu âm Có nhiều thông số ảnh hưởng đếncường độ của bọt siêu âm Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng bởi vì có rấtnhiều tính chất của chất lỏng phụ thuộc nhiệt độ, và những tính chất đó lại có tác độngđến cường độ bọt siêu âm Sự thay đổi nhiệt độ sẽ dẫn đến thay đổi về độ nhớt, về mứcđộ hòa tan khí trong chất lỏng, hệ số khuếch tán của khí trong chất lỏng và áp suất bốchơi, tất cả những yếu tố trên ảnh hưởng đến cường độ bọt siêu âm Trong nước tinh khiết,hiệu quả của bọt siêu âm cao nhất ở khoảng 160oF (70oC)

Hình 2.14.Tác động của nhiệt độ đến quá trình tẩy

Trên biểu đồ ta thấy:

Khi ở nhiệt độ thường 100oF (38oC): nếu tẩy bằng hóa chất không thôi thì thời giantẩy sẽ lâu, nếu tẩy bằng siêu âm không thì sẽ càng lâu hơn Còn nếu ta kết hợp cả hai thìthời gian tẩy sẽ mau hơn.

Khi nâng nhiệt độ đến 160oF (70oC) đây là nhiệt độ lý tưởng nhất, hiệu quả nhất củatẩy siêu âm Khi nâng nhiệt độ lên >160oF (70oC) thì sẽ bị phản tác dụng Nếu chỉ sử dụnghóa chất khi nhiệt độ càng tăng thì thời gian tẩy càng rút ngắn

Sự kết hợp giữa tẩy siêu âm và tẩy hóa chất sẽ có hiệu quả tốt nhất và có kết quả tốtnhất ở khoảng 190oF (88oC)

Độ nhớt của chất lỏng thấp nhất sẽ cho hiệu quả cao nhất đối với các bọt siêu âm.Độ nhớt của chất chất lỏng lớn sẽ chậm quá trình hình thành và vỡ ra của các bọt siêu âmvà sự vỡ ra bị hấp thụ bớt năng lượng Độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng lên.Khi các bọt siêu âm đạt hiệu quả tối đa, chất lỏng tẩy rửa phải chứa ít khí hòa tan Khíhòa tan trong chất lỏng sẽ kết hợp các bọt siêu âm, kết quả là hạn chế quá trình nổ củacác bọt siêu âm, làm giảm tính hiệu quả của tác động tẩy sạch Lượng khí hòa tan trongchất lỏng sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Hệ số khuếch tán của khí vào chất lỏng lại tăng lêntheo nhiệt độ Nghĩa là, chất lỏng ở nhiệt độ quá cao sẽ hòa tan nhiều khí hơn là ở nhiệtđộ thấp Phải tăng nhiệt độ chất lỏng đến nhiệt độ vừa bốc hơi, nghĩa là bọt siêu âm hơinước dễ hình thành hơn Bọt siêu âm hơi nước là những bọt siêu âm được điền đầy bởi hơicủa chất lỏng, đây là dạng hiệu quả nhất của bọt siêu âm Tuy nhiên, khi đạt đến nhiệt độsôi, cường độ của các bọt siêu âm bị giảm Cường độ của bọt siêu âm bị ảnh hưởng trựctiếp bởi nguồn cung cấp năng lượng cho siêu âm Khi năng lượng cung cấp tăn lên vượtquá ngưỡng của sự hình thành bọt siêu âm, cường độ của bọt ở mức tắt và chỉ có thể tăngnó lên thông qua phương pháp hội tụ Cường độ của bọt siêu âm có liên quan ngược lạivới tần số, khi tần số tăng lên, cường độ của bọt giảm bởi vì kích thước của bọt cũng giảmvà kết quả là năng lương khi vỡ bọt cũng kém hơn

2.5.3 Ảnh hưởng của hóa chất đến quá trình tẩy siêu âm: