THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN MẠ KẼM NHÚNG NÓNG

THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN NHÚNG KẼM NÓNG CHẢY CHO BOULON VÀ ĐAI ỐCCÔNG NGHỆ MẠ NHÚNG KẼM NÓNG CHẢY CHO BOULON:?Giới thiệu:Boulon và đai ốc là mối ghép ren được sử dụng rất nhiều để làm mối ghép cho các chi tiết máy, do đó việc bảo vệ ăn mòn cho boulon là rất cần thiết. Đặc biệt nếu chi tiết làm việc ngoài trời, sẽ có hiện tượng ăn mòn trong khí quyển rất mạnh, phương pháp mạ kẽm nhúng nóng đặc biệt thích hợp trong trường hợp tạo lớp phủ bảo vệ cho boulon và đai ốc do:vLớp phủ bền vững trong môi trường khí quyển.vDễ tự động hóa các thiết bị thích hợp để sản xuất hàng loạt.?Như đã phân tích ở trên, đối với boulon và đai ốc là các chi tiết nhỏ nên ta chọn công nghệ nhúng kẽm khô gián đoạn. Công nghệ này gồm các quá trình chính như sau:

BỘ MÔN KIM LOẠI & HỢP KIM

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:

THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN NHÚNG KẼM NÓNG CHẢY CHO BOULON VÀ ĐAI ỐC

01/2006

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Lời mở đầu iv

Danh sách bản vẽ v

Các kí hiệu viết tắt vi

Chương 1: Tổng quan về ăn mòn và bảo vệ vật liệu 1

1.1 Ăn mòn vật liệu 2

1.1.1 Tình hình chung về ăn mòn vật liệu 3

1.1.2 Ăn mòn Kim loại – Hợp kim 12

1.2 Các phương pháp chống ăn mòn 34

1.2.1 Sử dụng chất ức chế ăn mòn 55

1.2.2 Thiết kế lựa chọn vật liệu chống ăn mòn 55

1.2.3 Phương pháp bảo vệ catod 55

1.2.4 Dùng lớp phủ bảo vệ 55

Sơn bảo vệ 55

Oxi hóa bề mặt 55

Mạ điện 55

Mạ hóa học 55

Phun phủ kim loại 55

Mạ nhúng nóng 55

1.3 Công nghệ mạ nhúng kim loại nóng chảy 55

1.3.1 Nhúng nhôm 55

1.3.2 Nhúng thiếc 55

1.3.3 Nhúng chì 55

1.3.4 Nhúng kẽm 44

Chương 2: Công nghệ mạ nhúng kẽm nóng chảy cho boulon và đai ốc 44

2.1 Xử lí bề mặt 44

2.1.1 Tẩy dầu mỡ 44

2.1.2 Tẩy gỉ 44

2.1.3 Trợ dung hóa 44

2.2 Sấy khô 44

2.3 Nhúng kẽm 44

Chương 3: Tính toán – Thiết kế các thiết bị cho dây chuyền

mạ nhúng kẽm nóng chảy cho boulon và đai ốc 44

3.1 Giỏ kẽm 44

3.2 Bể tẩy rửa – bể crômat hóa 44

3.3 Lò sấy 44

3.4 Lò kẽm 44

3.5 Máy ly tâm 44

3.6 Hệ thống palăng 44

Chương 4: Vận hành dây chuyền mạ nhúng kẽm nóng chảy cho boulon và đai ốc 44

Chương 5: Bảo trì thiết bị – An toàn lao động 44

Chương 6: Kết luận 44

Tài liệu tham khảo 44

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN VÀ

BẢO VỆ VẬT LIỆU.

1.1 ĂN MÒN VẬT LIỆU:

1.1.1 Tình hình chung về ăn mòn vật liệu:

Vật liệu có thể chia làm 4 nhóm chính: kim loại và hợp kim, gốm sứ, polymevà composit Tất cả các loại vật liệu đều có thể bị ăn mòn và phá hủy, tuy nhiênquá trình ăn mòn kim loại và hợp kim đóng vai trò quan trọng trong thực tế doloại vật liệu này được dùng nhiều nhất và kém ổn định nhất khi tiếp xúc với môitrường

Ăn mòn là kết quả của sự tương tác hóa học hay vật lý giữa vật liệu và môitrường Ví dụ:

− Sự tạo gỉ trên thép

− Sự oxy hóa mối tiếp xúc điện bằng đồng

− Sự phá hủy PVC dưới tác động của tia cực tím

− Sự ăn mòn gạch chịu lửa trong các lò nung

Aên mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân Theo báo cáccủa Ủy ban ăn mòn và bảo vệ Anh thì thiệt hại do ăn mòn ở Anh chiếm 3,5%tổng sản lượng quốc dân Ở Mỹ thì chi phí này vào năm 1982 được đánh giákhoảng 126 tỷ đô la mỗi năm Ơû Việt Nam có khí hậu nóng ẩm và tỉ lệ sử dụngkim loại trong công nghiệp còn rất lớn cho nên thiệt hại do ăn mòn có thể lớnhơn nữa

Aên mòn còn gây lãng phí về nguồn tài nguyên Theo tính toán, ở Anh cứ

90 giây thì có 1 tấn thép bị biến hoàn toàn thành gỉ Ngoài việc lãng phí kim loạithì năng lượng tiêu tốn để sản xuất 1 tấn thép này từ quặng sắt đủ cung cấp cho

1 gia đình trung bình trong 3 tháng

Aên mòn còn gây những bất lợi đáng kể cho con người và thậm chí ảnhhưởng đến tính mạng do ăn mòn làm hư hỏng, sụp đổ các công trình dân dụngTuy nhiên trong một số trường hợp thì ăn mòn có lợi: phá hủy và loại trừcác chất thải trong tự nhiên, oxy hóa anốt nhôm, đánh bóng hóa học, điện hóa,ăn mòn trục in, mạch in, khắc kim loại

 Định nghĩa ăn mòn:

Ăn mòn là một phản ứng không thuận nghịch xảy ra trên bề mặt tiếp xúcpha giữa vật liệu và môi trường Phản ứng ăn mòn sẽ gây ra tiêu hao vật liệuhoặc hòa tan một cấu tử của môi trường vào trong vật liệu dẫn đến phá hủy vàlàm giảm tính chất của vật liệu.

Ví dụ: khi bị ăn mòn trong môi trường axit, thép sẽ giải phóng khí hydro,khí này hấp thụ trở lại trong thép làm giòn thép

Chi phí để chống ăn mòn:

− Chi phí trực tiếp: thay thế vật liệu, thiết bị bị ăn mòn

− Chi phí gián tiếp: sửa chữa, thiệt hại do ngưng sản xuất

− Chi phí để bảo vệ: dùng vật liệu chịu ăn mòn thì phải đầu tư cao hơn, chiphí tạo lớp phủ bảo vệ, chi phí bảo vệ điện hóa

− Chi phí phòng ngừa: phải dùng vật liệu có kích thước lớn hơn, chi phíkiểm tra, bảo dưỡng

1.1.2 Aên mòn Kim loại – Hợp kim :

Sự ăn mòn kim loại là do phản ứng oxy hóa khử không thuận nghịch giữakim loại và một tác nhân oxy hóa trong môi trường:

Kim loại + tác nhân oxy hóa  kim loại bị oxy hóa + tác nhân oxy hóa bị khử

Ta có thể phân loại khái quát các dạng ăn mòn kim loại và hợp kim theo

cơ chế ăn mòn như sau:

− Aên mòn điện hóa: là sự ăn mòn trong môi trường điện ly, xảy ra do quátrình trao đổi điện tử giữa chất oxy hóa và chất khử

− Aên mòn hóa học: là sự ăn mòn trong môi trường khí, còn gọi là ăn mòntrong khí khô, xảy ra do phản ứng hóa học của kim loại với môi trường khíxung quanh có chứa các tác nhân gây ăn mòn như oxy, lưu huỳnh, clo

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN:

1.2.1 Sử dụng chất ức chế ăn mòn:

Chất ức chế ăn mòn là chất khi thêm vào môi trường sẽ làm giảm tốc độ ănmòn kim loại của môi trường Các chất này thường được thêm với một lượng nhỏ

một cách liên tục hoặc gián đoạn vào trong axit, nước làm nguội, hơi nước vàcác môi trường khác.

 Chất ức chế làm chậm phản ứng ăn mòn theo một số cơ chế sau:

− Chất ức chế hấp thụ tạo một lớp màng mỏng có bề dày khoảng vài phântử hoặc tạo các kết tủa lớn, không thể nhìn thấy bằng mắt thường, baophủ bề mặt kim loại và bảo vệ chúng khỏi sự tấn công của môi trường

− Làm sao cho kim loại khi bị ăn mòn tạo ra sản phẩm ăn mòn hấp thụ lênbề mặt hình thành màng bảo vệ

− Chất ức chế không tác động trực tiếp đến bề mặt kim loại nhưng tạo điềukiện môi trường thuận lợi cho việc hình thành các kết tủa có tính bảo vệhoặc loại bỏ các tác nhân gây ăn mòn có mặt trong môi trường

 Các lưu ý khi sử dụng chất ức chế:

− Phải nhận ra được các vấn đề có thể giải quyết bằng cách dùng chất ứcchế

− Phải cân nhắc tính kinh tế : tổn thất do ăn mòn kim loại so với chi phí củachất ức chế, chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống cung cấp chất ứcchế

− Phải cân nhắc khả năng tương thích của chất ức chế với quá trình để tránhcác tác dụng ngược: tạo bọt, giảm hoạt tính xúc tác, phá hủy các vật liệukhác, tổn thất nhiệt

− Aùp dụng chất ức chế trong những điều kiện sao cho tạo ra hiệu quả caonhất

Một số chất ức chế thường dùng: Na2CrO4 , Na2SiO3 , Ca(HCO3)2

1.2.2 Thiết kế, lựa chọn vật liệu chống ăn mòn:

 Khi thiết kế cần tuân theo một số nguyên tắc sau để hạn chế ăn mòn:

− Đơn giản hóa hình dáng: hình dáng của kết cấu càng đơn giản ( ví dụ trònhơn) thì khả năng chống ăn mòn càng lớn Các dạng nhiều góc, cạnh, biênvà có bề mặt bên trong thì càng khó thực hiện việc xử lý bề mặt Hơnnữa, kết cấu phức tạp sẽ có bề mặt chịu ăn mòn nhiều hơn Các dạng hìnhống dễ sơn và có diện tích bề mặt nhỏ hơn các dạng chữ L,T hay U

− Tránh tích tụ ẩm: thông thường ăn mòn sẽ không xảy ra nếu không có ẩm,

do đó nhà thiết kế phải loại trừ ẩm khỏi kết cấu càng nhiều càng tốt Cácmặt cắt phải được sắp xếp sao cho không tích tụ ẩm, dễ sơn và bảo dưỡng.Kết cấu nên có độ dốc thích hợp để thoát ẩm

− Chú ý khả năng gây ăn mòn Galvanic:

Aên mòn galvanic chỉ xảy ra khi có các điều kiện sau:

Các kim loại phải có sự khác biệt điện thế đủ lớn (>50mV)

Các kim loại phải tiếp xúc trực tiếp với nhau

Các kim loại phải tiếp xúc cùng một loại dung dịch điện ly

Dung dịch điện ly phải chứa oxy hòa tan (hoặc axit) để quá trình catod cóthể xảy ra

Do đó nhiệm vụ của nhà thiết kế là phải đảm bảo ít nhất một trong cácđiều kiện trên không thể thực hiện được

1.2.3 Phương pháp bảo vệ catod:

− Bảo vệ catod là phân cực catod một bề mặt kim loại bị ăn mòn để làmgiảm tốc độ ăn mòn Có hai phương pháp bảo vệ catod: dùng dòng điệnngoài và anot hi sinh

− Trong phương pháp bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài, dòng điện đểphân cực catod được cung cấp từ nhà máy biến thế chỉnh lưu ( chuyểndòng điện xoay chiều AC thành điện một chiều DC ) Ơû những nơi hẻolánh không có điện, dòng điện ngoài có thể đuợc cung cấp từ nhà máyphát điện Anod có thể là một hoặc nhiều điện cực bằng graphít ( cho cấutrúc ngầm dưới đất) hoặc gang có hàm lượng silic cao, titan phủ platin( cho cấu trúc nhúng trong nước biển)

Hình 1.1: Nguyên lý bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài.

− Trong phương pháp bảo vệ catod bằng anod hi sinh, kim loại cần bảo vệđược nối với kim loại khác, gọi là anod hi sinh, có điện thế âm hơn Cácanod hi sinh được hàn vào đường ống ngầm hay đường ống nhúng trongnước biển và phải được thay thế định kì vì chúng bị tiêu thụ trong phảnứng hòa tan anod

Hình 1.2: Nguyên lý bảo vệ catod bằng anod hi sinh.

1.2.4 Dùng lớp phủ bảo vệ:

Đối với vật liệu kim loại nói riêng thì các lớp phủ vừa bảo vệ vật liệu vừatăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm, một số lớp phủ còn nâng cao cơ tính Trongthực tế để tạo lớp phủ cho kim loại người ta thường dùng các phương pháp sau:

 Sơn bảo vệ

 Oxi hóa bề mặt ( nhuộm đen)

 Mạ điện

 Mạ hóa học

 Phun phủ kim loại

 Mạ nhúng nóng.

1.2.4.1 Sơn bảo vệ:

Chi tiết được nhúng trong chất phủ đã pha loãng bằng dung môi hữu cơhoặc nước, sau đó để ráo, sấy hoặc nung chi tiết để bay hơi dung môi và tạo lớpmàng

Hình 1.3: Nguyên lý sơn bằng phương pháp nhúng

Chất phủ đã pha loãng trong dung môi hữu cơ hoặc nước được phun lên chitiết Sau đó sấy chi tiết để bay hơi dung môi và tạo lớp màng

Hình 1.4: Nguyên lý sơn bằng phương pháp phun.

Lớp phủ nhận được theo phương pháp này là chất hữu cơ (sơn) Lớp phủbao gồm nhựa (chất phủ), dung môi, chất màu và các phụ gia khác như chất nhũhóa , chất tạo đồng đều, chất chống lắng cho chất màu, dung môi để hòa tanhoặc tạo huyền phù với nhựa Nhựa sẽ gắn kết lớp phủ lên nền và gắn kết cáchạt màu lại với nhau sau khi dung môi đã bay hơi và chi tiết đã khô Nhựa sẽquyết định độ bền hóa học và bền ăn mòn cho lớp phủ Chất màu ở dạng huyền

phù sẽ làm giảm độ thẫm thấu, tạo mờ, tạo màu nên làm giảm khả năng phânhủy nhựa dưới tác động của tia cực tím Ngoài ra chất màu còn có tác động ứcchế ăn mòn.

Để tăng độ bám dính cho sơn thì kim loại phải được tẩy rửa bề mặt,photphat hóa hoặc crôm hóa, sơn lót

1.2.4.2 Ôxy hóa bề mặt:

Ôxy hóa bề mặt thép gang hay còn gọi là nhuộm đen do tạo thành trên bềmặt chi tiết màng oxyt Fe3O4 có màu đen hoặc xanh đen Độ dày màng oxyt từ0,6-1,5 µm tương đối xít chặt, do đó nâng cao được tính chống ăn mòn cho chitiết nhưng tính bảo vệ vẫn thấp hơn các phương pháp mạ bảo vệ

Nhuộm đen thép gang được sử dụng trong các chi tiết máy, dụng cụ đo,dụng cụ cầm tay, đồng hồ, vũ khí chống lại sự ăn mòn của khí quyển

Có nhiều phương pháp oxy hóa nhuộm đen thép gang

− Oxy hóa thép và gang trong môi trường hơi nước: chi tiết được oxy hóatrong thùng quay bằng hơi nước ở nhiệt độ nhỏ hơn 500oC Phương phápnày đơn giản, rẻ tiền và ít ô nhiễm Tuy nhiên màng oxyt có tính bảo vệkém và không bóng đẹp

− Oxy hóa thép gang trong hỗn hợp muối NaNO2 + NaNO3 tác nhân oxy hóachủ yếu là NaNO2 do phản ứng phóng thích oxy khi nung

NaNO2 nhiệt độ NaNO3 + O2

Phương pháp này cho màng oxyt màu sắc rất đẹp từ nâu đỏ đến xanh đentùy thuộc vào nhiệt độ oxy hóa Phương pháp này rất đơn giản nhưngmàng oxyt kém bền, dễ chuyển màu và tính bảo vệ không cao

− Oxy hóa thép gang bằng dung dịch kiềm Phương pháp này rất thôngdụng, cho màng oxyt đẹp, bóng và tính bảo vệ cao

1.2.4.3 Mạ điện:

 Nguyên lý mạ điện:

Khi nhúng hai điện cực anod va catod (là chi tiết cần mạ) vào một dungdịch có chứa các ion kim loại cần mạ thì khi đóng nguồn điện một chiều, các ion

âm sẽ chạy về anod – nhả điện tử và bị oxy hóa, các ion dương chạy về catod –nhận điện tử và ion kim loại được giải phóng thành kim loại hết tủa trên catod,hình thành nên lớp mạ.

Hình 1.5: Nguyên lý mạ điện.

Trong thực tế, mạ điện chỉ có các kim loại Au,Ag,Cd,Sn,Ni,Co,Fe,Zn được mạ(kết tủa) trên catod mà thôi

Phân loại: Tùy theo kích thước các chi tiết mạ, người ta phân biệt thành haidạng mạ điện:

− Mạ treo bằng cách buộc, gá, móc hoặc vít các vật cần mạ vào giá dẫnđiện rồi treo vào thanh dẫn nối với điện cực âm của nguồn điện Các chitiết mạ treo có kích thước lớn, cấu hình phức tạp hoặc đòi hỏi độ chínhxác của lớp mạ cao, độ dày lớp mạ lớn

− Mạ các chi tiết nhỏ, nhẹ, cấu hình đơn giản, không kết dính với nhau,không đòi hỏi lớp mạ dày bằng các chuông hoặc tang trống quay Quátrình tiếp xúc điện của các vật mạ nhờ va chạm khi quay, so với mạ treomật độ dòng trên diện tích của mạ quay nhỏ hơn Do mạ quay không cầngá và thời gian treo mẫu, nên rất kinh tế

 Các ứng dụng mạ điện đối với từng kim loại cụ thể:

− Mạ kẽm (Zn): do thế tiêu chuẩn của Zn âm hơn điện thế tiêu chuẩn củathép nên lớp mạ kẽm được sử dụng bảo vệ chống ăn mòn cho các tấm tôn

lợp nhà, ống thép, các chi tiết trên đường dây tải điện bằng thép Bìnhthường lớp mạ kẽm cần dày 15 mµ , trong điều kiện xâm thực ăn mònmạnh lớp mạ kẽm phải dày tới 30 mµ

− Mạ đồng (Cu): do Cu dễ bị oxi hóa và có điện thế cao hơn thép và các vàcác kim loại khác nên không dùng đồng làm lớp phủ bảo vệ Tuy nhiên,mạ Cu được sử dụng rộng rãi làm lớp phủ lót trên thép để làm tăng độbám, giảm độ lỗ, vết nứt khi mạ niken với chiều dày lớp mạ lót từ 5-35m

− Mạ Niken (Ni): lớp mạ niken dễ đánh bóng, có thể đạt đến mức bóng nhưgương Do điện thế dương hơn so với thép nên lớp mạ niken là lớp phủcatod, nó chỉ có tác dụng khi không có lỗ Vì thế thường mạ nhiều lớp khimạ niken để giảm lỗ xốp và lượng tiêu hao niken (do niken đắt tiền).Thường mạ ba lớp đồng-niken-crôm có tác dụng bảo vệ, trang trí cho sảnphẩm Tùy theo mức độ cần thiết, chiều dày các lớp có thể thay đổi: đồng(5-35 mµ ) ; niken (5-15 mµ ) ; Crôm 0,5 mµ

− Mạ Crôm (Cr): Cr dễ thụ động nên bền trong các môi trường như khôngkhí, các axit hữu cơ và vô cơ như: axit nitric, axit axêtic, axit xitric, kiềm nhưng dễ hòa tan trong HCl, H2SO4 nóng Lớp mạ Cr có nhiều lỗ nênkhông có tính bảo vệ chống ăn mòn cho sắt thép Muốn bảo vệ phải kếthợp mạ phối hợp đồng-niken-Crôm Lớp mạ Cr có tính ổn định hóa học,chịu mài mòn, vẻ mỹ quan nên lớp mạ Cr được ứng dụng trang trí cho cácchi tiết ô tô, chi tiết máy, dụng cụ y tế, phụ tùng xe máy, xe đạp Ngoài

ra lớp mạ Cr có độ cứng rất cao khoảng 1200 HV ( cao hơn thép dụng cụsau khi tôi), hệ số ma sát nhỏ, độ cứng giữ được tới 3000C, vì thế mạ Crcứng được sử dụng để phục hồi các chi tiết máy đã bị hao mòn

− Mạ cađmi : Cađimi dễ mạ lên hầu hết các kim loại dương điện Lớp mạcađimi kín, sít , lại âm điện nên có khả năng bảo vệ ăm mòn tốt , đặc biệttrong môi trường khí hậu biển nên mạ cađimi rất thích hợp trang thiết bịnhiệt đới và cận nhiệt đới Do bền lại dễ hàn nên lớp mạ cađimi đượcứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử Tuy nhiên lớp mạ cađimi rất độc

nên không được mạ cho các sản phẩm dân dụng, đặc biệt là hàng tiêudùng và những bộ phận tiếp xúc với thực phẩm.

− Mạ sắt: tăng độ cứng, độ bền mài mòn, phục hồi các chi tiết sắt thép cógiá trị cao

− Mạ chì: lớp mạ chì bền trong H2SO4 và SO2 nên được ứng dụng trong cácmáy hóa chất

− Mạ thiếc: lớp mạ htiếc dùng để hàn trong công nghiệp điện tử, côngnghiệp in, lớp mạ dùng để chống ăn mòn cho những htiết bị và chi tiếttrong công nghiệp thực phẩm

− Mạ kim loại quý:

− Mạ bạc (Ag): thường ứng dụng trong các lĩnh vực: làm tiếp điện trong kỹthuật điện và điện tử ; máy hóa; gương và thiết bị phản chiếu ánh sáng;mỹ nghệ, hàng trang sức và dụng cụ ăn uống

− Mạ vàng (Au): vàng đặc biệt bền vững ăn mòn, cả trong khí quyển SO2,trong các axit, kiềm Thường được ứng dụng trong kỹ nghệ hàng trangsức, đồng hồ, gọng kính, song chủ yếu mạ vàng được ứng dụng cho kỹthuật điện và điện tử

 Ưu, nhược điểm của phương pháp mạ điện:

 Tốc độ kết tủa cao, phản ứng xảy ra đơn giản hơn mạ hóa

 Kết tủa trên chi tiết có hình dáng phức tạp sẽ không đồng nhất

1.2.4.4 Mạ hóa học:

Nguyên lý: khác với mạ điện, mạ hóa học không cần dùng dòng điệnngoài mà chất nền sẽ được nhúng trong dung dịch chứa ion của chất phủ Lớpphủ tạo thành do phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt chi tiết

Phân loại:

 Lớp mạ kết tủa nhờ phản ứng chuyển dịch:

Hình 1.6: Nguyên lý mạ hóa học nhờ phản ứng chuyển dịch.

Để có thể nhận được kết tủa theo phương pháp này, kim loại nền phải cóđiện thế âm hơn kim loại trong dung dịch khi nhúng chi tiết vào trong dungdịch, kim loại nền sẽ bị oxy hóa và tan vào trong dung dịch, còn ion kim loại phủtrong dung dịch thì bị khử thành kim loại kết tủa lên bề mặt chi tiết Khi bề mặt

bị che phủ hoàn toàn thì phản ứng dừng lại, do đó bề dày lớp phủ rất mỏng.Phương pháp ít được áp dụng trong thực tế hơn phương pháp tạo kết tủa nhờphản ứng hóa học

 Lớp mạ kết tủa nhờ phản ứng hóa học:

Hình 1.7: Nguyên lý mạ hóa học.

Bề mặt chi tiết phải có tính xúc tác hoặc được tạo tính xúc tác (khi phủ lênnhựa), và nhúng trong dung dịch mạ hóa học Dung dịch này chứa tác nhân khử,ion của kim loại phủ, chất tạo phức, chất điều chỉnh PH , chất xúc tiến, chất ổnđịnh và tác nhân thấm ướt Khi đó tác nhân khử sẽ khử ion kim loại phủ và tạokết tủa lên bề mặt nền Nếu kim loại phủ cũng có tính xúc tác(Ni,Co,Pt,Rh,Cu,Ag,Au) thì phản ứng khử sẽ tiếp tục đến khi không còn kim loạiphủ trong dung dịch.

 Thành phần bể mạ hóa học thường rất phức tạp, nên cần phải khống chếtốt các thông số vận hành như nhiệt độ, PH , nồng độ tác nhân khử, nồngđộ ion kim loại,

 So với mạ điện, mạ hóa học có ưu điểm ở chỗ: lớp mạ có chiều dày rấtđều, nhất là vật mạ có cấu hình phức tạp, song nhược điểm là quá trìnhmạ đòi hỏi phải thường xuyên bổ sung dung dịch mạ và giá thành cao.Trong các kim loại có khả năng mạ hóa thì mạ Ni và Cu là có ý nghĩa kỹthuật hơn cả

− Mạ Niken (Ni): mạ hóa niken được ứng dụng rộng rãi trong nhữngtrường hợp không mạ điện được, đặc biệt là các vật mạ có cấu hìnhphức tạp, cần lớp mạ dày đồng đều, có độ bền chịu mài mòn caovà chống ăn mòn tốt

− Mạ đồng (Cu): ứng dụng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử –tạo lớp phủ dẫn điện

 Ưu, nhược điểm của phương pháp mạ hóa học:

− Lớp phủ nhận được là đồng nhất ngay cả khi chi tiếtcó hình dáng phức tạp

− Không cần nguồn điện ngoài, chỉ cần cấp nhiệt

− Tốc độ kết tủa chậm

− Các phản ứng trong bể mạ rất phức tạp

1.2.4.5: Phương pháp phun phủ bề mặt:

Để tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn, hóa bền bề mặt và phục hồi kích thướcchi tiết đã bị mòn, có thể sử dụng phương pháp phun phủ Công nghệ phun phủcó thể thực hiện bằng đầu phun kim loại hoặc đầu phun plasma

 Phương pháp phun phủ kim loại:

− Để bảo vệ chống ăn mòn và chống mài mòn, phục hồi kích thước cho chitiết có thể sử dụng phương pháp phun phủ kim loại Phương pháp này thựachất là dùng hồ quang điện tạo thành do hai dây dẫn bằng kim loại cầnphủ khi tiếp xúc với nhau, làm nóng chảy dây dẫn, khí nén được thổi quavùng kim loại nóng chảy, phun đắp lên bề mặt chi tiết cần phủ

Hình 1.8: Nguyên lí phun phủ bằng hồ quang.

− Dây kim loại chuyển động liên tục khi chạm nhau, dưới tác dụng củadòng điện có cường độ cao, điện thế thấp, tạo hồ quang, làm nóng chảycục bộ hai đầu dây dẫn Khí nén thổi liên tục làm bắn văng các hạt kimloại nóng chảy thành các phần tử có kích thước từ 0,02 – 0,4 mm, chuyểnđộng với vận tốc 100 – 200 m/s và va đập manh vào bề mặt chi tiết cầnphun phủ Ơû trạng thái lỏng (sền sệt) và do có động năng lớn, các phần tửkim loại phủ nóng chảy được hàn đắp lên chi tiết có độ bền liên kết tươngđối lớn

− Cũng có thể làm nóng chảy cục bộ dây dẫn bằng ngọn lửa oxy – axetylenhoặc oxy – hydro, nhưng phương pháp hồ quang là thông dụng hơn cả Tổchức của lớp phủ bao gồm các hạt kim loại hoặc hợp kim và các vật lẫn

oxy tạo tạo thành giữa khí nén và kim loại nóng chảy Phương pháp nàycho chất lượng lớp phủ không cao, khó thực hiện và không kinh tế.

 Phương pháp phun phủ bằng plazma:

− Trường plazma bao gồm các phần tử khí như Ar, He, H2, N2, tích điện vàcó nhiệt độ rất cao Nguyên tắc tạo plazma bằng đầu phun (ion gun) làcác khí đi qua anod và catod phóng điện, chúng sẽ bị ion hóa mang điệntích dương Các phần tử khí tích điện chuyển động với vận tốc lớn và cónhiệt độ maximum khoảng 13.000oK và minimum khoảng 3.000oK

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý tạo lớp phủ bằng đầu phun bột plazma.

− Các ion năng lượng cao được sản sinh từ đầu phun (1) và được gia tốchướng về phía bề mặt cần phủ (5), hình thành nên một ngọn lửa plazmacó nhiệt độ rất cao Thông thường các quá trình phun phủ được thực hiệntrong khoảng nhiệt độ từ 6.500oC – 11.000oC Bột kim loại hoặc các hợpchất chống mài mòn từ ống (2) dẫn xuống vùng ion hóa (3) bị nóng chảyvà theo luồng ion phun vào bề mặt chi tiết cần phủ Do động năng lớn,gặp bề mặt có nhiệt độ thấp, các phần tử hợp kim nóng chảy bị kết tinhngay lập tức (10-10 – 10-6 s), hình thành lớp phủ (4) trên bề mặt chi tiết

 Ứng dụng của phương pháp phun phủ kim loại:

− Lĩnh vực ứng dụng điển hình của kỹ thuật phun phủ kẽm và nhôm là côngtrình kết cấu thép, thiết bị cần cẩu lớn, bể chứa diện tích lớn, thiết bị cột

truyền hình, cổng thép lớn, vỏ tàu và các thiết bị tàu lớn, biển báo đườngthủy và những kết cấu thép lớn.

− Kỹ thuật phun phủ đặc biệt có lợi thế trong việc khôi phục lại lớp bảo vệcác công trình xây dựng và các thiết bị đã lắp đặt

− Lớp phun phủ có thể thay thế lớp kim loại nhúng và sơn trong nhữngtrường hợp sau:

+ Sản phẩm không phù hợp với các thiết bị nhúng

+ Sản phẩm không chịu được nhiệt độ nhúng

+ Sản phẩm không thể sơn được

− Kỹ thuật phun plazma còn cho phép sử dụng các vật liệu kim loại, cacbit,oxit nên lĩnh vực ứng dụng càng được mở rộng do lớp phun phủ có tínhchất đặc biệt:

+ Chịu được nhiệt độ cao đến hơn 1000oC trong vài chục ngàn giờ.+ Có độ bền rất cao

+ Chịu mài mòn cao

+ Bền ăn mòn cao

1.2.4.6: Phương pháp phủ nhúng kim loại nóng chảy:

− Phủ nhúng kim loại nóng chảy lên bề mặt chi tiết thép và gang được thựchiện bằng cách nhúng chi tiết sau khi đã tẩy gỉ, tẩy mỡ vào một bể kimloại hoặc hợp kim cần phủ ở trạng thái nóng chảy Sau khi lấy chi tiết rakhỏi bể, trên bề mặt chi tiết xuất hiện màng kim loại hoặc hợp kim mà tacần phủ

− Các kim loại và hợp kim phủ nhúng chống ăn mòn, thông thường là kẽm(Zn); thiếc (Sn); hợp kim kẽm-nhôm (Zn-Al) Các kim loại, hợp kim nàycó nhiệt độ nóng chảy thấp, nhôm và kẽm có điện thế tiêu chuẩn nhỏ hơnthép nên là lớp phủ catod có tính bảo vệ cao

− Các vật phẩm phủ nhúng kẽm, hợp kim Zn-Al như tôn lợp nhà, tôn lạnh,ống nước, ống dẫn Phương pháp phủ nhúng trong nhiều trường hợp cótính kinh tế cao hơn so với mạ điện

 Ưu, nhược điểm:

o Quá trình dễ thiết kế để làm việc liên tục

o Khi làm việc liên tục, bề dày rất đồng nhất

o Có thể tạo nhanh lớp chống phủ có bề dày cao

o Phải duy trì một thể tích lớn kim loại ở trạng thái nóng chảy

o Sự không đồng nhất trong thành phần của nền ảnh hưởngmạnh đến quá trình

KẾT LUẬN :

 Trong phần trước đã trình bày một cách khái quát vềtình hình ăn mòn vật liệu kim loại và hợp kim, nêu ra một cách tổng quát cácphương pháp bảo vệ bề mặt kim loại để chống ăn mòn Qua các phương phápchống ăn mòn đã nêu ở trên ta rút ra nhận xét như sau:

 Các phương pháp sơn, mạ điện, mạ hóa học chỉ tạolớp phủ lên bề mặt chi tiết cần bảo vệ, lớp phủ bảo vệ này có lực bám dínhlên nền không lớn nên hiệu quả bảo vệ không cao lắm, chủ yếu dùng đểtrang trí, tăng cường tính chất bề mặt

 Phương pháp phun phủ kim loại: nhiệt độ tiến hànhcao, thiết bị đắt tiền, nên khó ứng dụng sản xuất qui mô lớn, khó tự động hóadây chuyền sản xuất

 Phương pháp mạ nhúng nóng: phương pháp này do lớpkim loại nhúng khuyếch tán vào kim loại nền tạo thành các pha có độ bámdính bề mặt rất lớn nên hiệu quả bảo vệ cao, ngoài ra công nghệ nhúng dễ tựđộng hóa do đó giảm sức lao động, nâng cao năng suất, hạ giá thành sảnphẩm

 Trong phần tiếp theo ta sẽ phân tích kỹ hơn về côngnghệ của phương pháp nhúng kim loại nóng chảy

1.3: CÔNG NGHỆ NHÚNG KIM LOẠI NÓNG CHẢY:

 Nguyên lý:

− Chi tiết được nhúng trong chất phủ nóng chảy Dưới tác động củanhiệt độ, kim loại phủ sẽ khuyếch tán vào trong nền và tạo hợp kim có

thành phần thay đổi theo bề dày, từ thành phần của kim loại nền đến thànhphần kim loại phủ.

− Để đảm bảo độ bám dính của lớp phủ chuyển đổi khuyếch tán donhúng trong chất phủ nóng chảy, thì hai kim loại (nền và phủ) phải tạo đượcmàng hợp kim liên tục Điều này chỉ xảy ra đối với một số cặp kim loại( Fe-Zn hay Fe-Al, ) ngoài các cặp này người ta phải thêm kim loại phụđể tạo hợp kim bổ sung với hai thành của cặp

− Tùy điều kiện vận hành, bề dày lớp phủ có thể đạt tới 200 mµ Bềdày được khống chế qua thời gian nhúng, tốc độ lấy chi tiết ra khỏi bểnhúng, hệ thống khử giọt, làm ráo sau khi nhúng

− Nhúng chi tiết kim loại cần tạo lớp bảo vệ vào kim loại nóng, ví dụnhúng sắt vào kẽm, nhôm, thiếc, chì cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Kim loại nền phải có nhiệt độ nóng chảy cao hơn kim loạinhúng

 Bề mặt sản phẩm nhúng phải sạch dầu, gỉ

 Dễ tạo màng trợ dung kín để tăng khả năng thấm ướt kimloại nóng chảy

 Bề mặt kim loại nóng chảy phải sạch khi nhúng vào cũngnhư lấy sản phẩm ra

 Tác dụng của lớp phủ kim loại nhúng chủ yếu làchống ăn mòn, tăng độ bền nhiệt, dẫn nhiệt và đôi khi dùng để trang trí

 Nguyên tắc quan trọng của quá trình nhúng là:

 Phải giảm tối đa khối lượng những dụngcụ nhúng vào kim loại nóng chảy để hạn chế tiêu hao nhiệt, kim loại cũngnhư làm giảm chất lượng nhúng

 Bề mặt kim loại nóng chảy phải khôngcó oxit, tro và các tạp chất

 Sản phẩm phải nhúng nhanh để giữ độdày lớp bảo vệ trong giới hạn yêu cầu cũng như đạt được tính đồng nhấtvà đủ để nhiệt bắt đầu tăng lại

 Tốc độ kéo sản phẩm khỏi bể kim loạinóng phải phù hợp với dạng sản phẩm để đảm bảo kim loại nóng chảyhết Tốc độ kéo ra nhanh sẽ tạo lớp dày và không đồng đều Đối với théptốc độ kéo ra từ 1-1,5 m/phút.

 Phải làm lạnh thích hợp để rửa sạch trợdung còn bám cũng như giảm nhanh nhiệt độ hạn chế quá trình khuyếchtán sắt của sản phẩm vào lớp phủ kim loại Cũng có thể cho dầu bónghoặc xà phòng bôi trơn vào nước rửa để tạo độ bóng cho sản phẩm

 Về công nghệ, căn cứ vào loại sảnphẩm, số lượng các chủng loại và hiệu quả sử dụng kinh tế mà chọn cácphương pháp nhúng không liên tục, cơ học và liên tục

 Như đã trình bày ở trên để đảm bảo độbám dính của lớp phủ chuyển đổi khuyếch tán do nhúng trong chất phủnóng chảy, thì hai kim loại (nền và phủ) phải tạo được màng hợp kim liêntục Đối với vật liệu nền là thép thì các kim loại có thể nhúng là Al; Sn;

Pb và Zn Sau đây là đặc điểm của công nghệ nhúng nóng các kim loạinói trên

1.3.1 Nhúng nhôm (Al):

Công nghệ nhúng nhôm được biết sớm nhất Quá trình tạo lớp nhôm nhúnggiống như lớp kẽm và gồm ba lớp:

− Lớp tinh thể hỗn hợp Al2Fe3 và Al2Fe; trong đó nhôm khuyếch tán vào sắtđến 33%

− Lớp hợp kim Al2Fe3 và Al2Fe

− Lớp nhôm tinh khiết và đôi khi còn lẫn thêm với Al2Fe3 và Al2Fe

Công nghệ nhúng nhôm có khó khăn sau đây:

− Nhiệt độ nóng chảy của nhôm cao 700 – 720o C, khó tìm trợ dung và vậtliệu nồi lò thích hợp

− Do nhôm hoạt hóa vơí oxit mạnh để tạo xỉ (nhôm oxit) trêm bề mặt;

− Tính chất vật liệu và trợ dung có thể bị biến đổi ở trong nhiệt độ nhômnóng chảy Trợ dung cho công nghệ nhúng nhôm nóng chảy thường dùngcác muối florua của titan, zirkon và kim loại kiềm có thêm kryolit.

Hình 1.10: cấu trúc của lớp phủ nhôm (a) và nhôm – silic

Phụ gia có bể nhôm nóng chảy thường dùng silic để làm giảm nhiệt độnóng chảy thấp hơn, đến 30 – 50oC và ức chế quá trình tao hợp kim Sự khácnhau của lớp bảo vệ Al tinh khiết và Al-Si được trình bày ở Hình 1.10 Hợp kimnhôm nhiều silic (Alugal-As) có thể bền nhiệt đến 600oC, phản nhiệt đến 80%và để tạo lớp phủ có dộ dày không lớn hơn 20µ m

Công nghệ nhúng nhôm liên tục áp dụng cho dây, băng sắt thường theophương pháp Rodriquez (H 1.11) hoặc Dellgren (H 1.12) bao gồm:

− Quá trình xử lý làm sạch bề mặt và bảo vệ bằng lớp hữu cơ hoặc kim loại,khi nhúng vào nhôm nóng chảy nhờ nhiệt độ 500 – 700oC hoặc chúng bịphân hủy ngay, sư dụng trợ dung thường ở dạng muối nóng chảy;

− Sử dụng khí khử hoặc khí bải vệ (H2, N2) để bảo vệ bề mặt và nhômnóng chảy;

Hình 1.11: Công nghệ nhúng nhôm liên tục theo Rodriquez

Hình 1.12: Công nghệ nhúng nhôm liên tục theo Dellgren

Công nghệ nhúng nhôm liên tục theo Rodriquez (H 1.11) hoặc Dellgren (H 1.12): 1-dây hoặc băng thép; 2-nhôm nóng chảy; 3-chì nóng chảy; 4-than; 5-NH + Cl; 6- NH + Cl hoặc khí quyển HCl ở 500 –

700 o C; 7-khí quyển H 2 ; 8-lò đốt.

− Nhôm nóng chảy thường dùng loại tinh khiết hoặc hợp kim với silic, hoặckẽm Hợp kim nhôm – kẽm (Aluzin-Az) gồm: 55% Al, 43,3% Zn, 1,6% Sicó ưu điểm: mềm, dễ uốn, bền ăn mòn do bảo vệ catôt, bền nhiệt đến

315oC, phản nhiệt đến hơn 93% và tạo lớp phủ có độ dày không lớn hơn

20µ m Thời gian nhúng từ vài giây đến 5 phút Nhiệt độ để nhúng 700oC;

− Quá trình làm lạnh ở To < 550oC;

− Làm bóng và xử lý lớp nhôm đã nhúng

Công nghệ nhúng nhôm gián đoạn (h.6.7)

Hình 1.13: Công nghệ nhúng nhôm gián đoạn;

1 – Nồi lò; 2 – trợ dung; 3 – nhôm nóng chảy;4 – sản phẩm

trong trợ dung; 5 – sản phẩm trong nhôm nóng chảy

Gồm các công đoạn sau:

− Làm lạnh và tẩy mỡ trong axit hoặc kiềm;

− Rửa sạch;

− Tẩy gỉ trong NaOH 3 – 6%, ở 50 – 60oC, thời gian 1 – 4 phút;

− Hoạt hóa trong HNO3 30%, ở 15 – 20oC, thời gian 1 phút;

− Rửa sạch;

− Xử lý trợ dung, ví dụ dung dịch cromat;

− Nhúng nhôm nóng chảy;

− Xử lý bề mặt lớp nhôm bảo vệ

Tính chất bảo vệ ăn mòn kim loại của lớp phủ nhôm do lớp nhôm oxit kín,sít bám chặt quyết định, mặc dù nhôm thuộc kim loại không bền, có thế điện cựcrất âm: - 1,67V trong môi trường nước Thép có phủ nhôm bảo vệ ăn mòn trongmôi trường khí quyển nông thôn, thành phố và vùng công nghiệp cũng như khíquyển có H2S, trong các axit hũu cơ như: axetic, xitric, formic, oxalic,tricloaxetic, stearic, H2SO4, HF, HClO3, H3PO4, HNO3 trên 80% đến 50oC, song

không bền trong HCl, HBr có pH < 4và kiềm có pH >8,5, trong thủy ngân vàmuối thủy ngân, trong nước biển, dung dịch clo và clo cũng như trong nước cókim loại nặng.

Trong vùng pH = 5,5 – 8,5, lớp phủ nhôm bền ăn mòn nhất

Trong khí quyển công nghiệp sự biến đổi trọng lượng của thép phủ nhôm

ít hơn của thép phủ kẽm nhiều (H 1.14) D hiệu ứng bảo vệ bằng màng oxit bền,kín nên lớp nhúng nhôm và hợp kim nhôm thường chỉ bằng1/2 lớp kẽm, nhưngđảm bảo chống ăn mòn thép tốt hơn cả trong khí quyển và vùng biển và khíquyển vùng công nghiệp

Hình 1.14: so sánh tính chất ăn mòn của thép phủ nhôm và kẽm;

1 – Thép nhúng Al; 2 – thép phun Al;

3 – thép nhúng Zn; 4 – thép phun Zn

Lĩnh vực ứng dụng của lớp nhôm bảo vệ còn hạn chế nhiều do tính phứctạp về công nghệ, chủ yếu mới ở các lĩnh vực : năng lượng ( ống lò sưởi, thiết bịđốt…),thiết bị hóa chất (ống, vạn, bơm…), chế tạo máy (thiết bị khí tượng, điềuhòa trao đổi nhiệt, dây, khóa cửa, sàn…), giao thông (công nghệ ôtô, xe máy) vàgia đình (nồi, chảo, máy, giặt tủ lạnh…)

1.3.2 Nhúng thiếc:

Nhúng thiếc với độ dày từ 8 – 40µ m (trung bình 20µ m) chỉ thích hợp chothép có hàm lượng cacbon trung bình và thép hợp kim thấp với đồng và khôngthích hợp với thép hợp kim cao, hợp kim đồng và kẽm Lớp thiếc bảo vệ thườngdùng cho các loại sau:

− Đảm bảo vệ sinh cho những chi tiết có liên quan đến thực phẩm (đồ hộp);

− Cải thiện khả năng hàn;

− Tăng độ bám của kim loại khác

Giống như quá trình nhúng kẽm, quá trình khuếch tán thiếc đảm bảo độbám của lớp nhúng, khi đó trợ dung sẽ làm tăng phản ứng giữa thiếc và kim loạinền Cấu tạo của lớp thiếc nhúng được trình bày ở hình (H1.15)

Hình 1.15: Cấu tạo lớp thiếc nhúng;

1 – Thép; 2 – hợp kim Fe-Sn;

3 – lớp Sn; 4 – thiếc oxit; 5 – lớp dầu

Quá trình làm sạch mỡ và tẩy gỉ trong HCl, H2SO4, HNO3 hoặc hỗn hợp tùythuộc vào vật liệu của sản phẩm Sản phẩm sạch có thể nhúng trợ dung vànhúng thiếc ngay cũng như ngâm trợ dung rồi hoạt hóalại trong dung dịch HCl1%

Công nghệ nhúng thiếc các sản phẩm thép có phương pháp một bể, hai bể,

ba bể hoặc tráng thiếc tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng và tính chất lớp bảo vệcũng như chủng loại, số lượng sản phẩm (h.6.10)

Tốc độ nhúng phụ thuộc vào loại sản phẩm (10 – 55mm/s), sản phẩm cànglớn tốc độ nhúng càng cao Dầu như dầu cọ có tác dụng tạo bóng và chống oxihóa cho lớp thiếc

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý công nghệ nhúng và tráng thiếc

Tác dụng bảo vệ ăn mòn của lớp thiếc trong không khí và trong nước làcatod do quá thế cao của thiếc cũng như lớp thiếc oxit kín, sít trơ không tan; lớpthiếc càng dày thì độ kín, sít càng cao, tác dụng bảo vệ càng tốt Nếu lớp trongtiếp xúc với sắt, thiếc lại có tác dụng bảo vệ anod nghĩa là thép sẽ là catod

Do tính bền ăn mòn, sáng bóng đẹp và đảm bảo vệ sinh, thép nhúng thiếcthường được dùng chủ yếu :

Sản phẩm qua làm sạch tẩy mỡ, gỉ

2 Nhúng vào bể thiếc phủ dầu ở 235-2700C

Ba bể:

1 Nhúng vào bể thiếc nóng chảy ở 280-

3000C

2 Nhúng vào bể thiếc phủ dầu bóng ở 240-2700C

3 Nhúng vào bể dầu bóng ở 230-2450C

Xử lý trợ dung trong dung dịch Clo

Phủ hồ tráng thiếc

Trải thiếc và đốt

2750CTráng thiếc

Làm nóng

Tráng thiếc

Làm sạch trợ dung

Làm khô và làm sạch theo yêu cầu

− Đóng hộp và bao gói thực phẩm, nước uống.

− Vật chứa các sản phẩm kỹ thuật hoặc mỹ thuật

− Hàng tiêu dùng thường tiếp xúc với người như đồ chơi trẻ em, giỏ muahàng, dụng cụ nhà bếp

− Đồ chứa và dụng cụ trong công nghiệp thực phẩm và nội trợ

1.3.3 Nhúng chì (Pb):

Khác với kẽm, nhôm, thiếc – chì và sắt không hòa tan vào nhau nên độbám dính của lớp phủ chì kém , vì thế phải sử dụng lớp chuyển tiếp thường làkẽm, thiếc, antimon Quá trình chuẩn bị bề mặt giống như công nghệ nhúngnhững kim loại khác; sử dụng trợ dung như nhúng kẽm khô và ướt Nhiệt độ chìnóng chảy là 370-4000C Chiều dày lớp chì 10 – 40 mµ Sử dụng các lớp hợpkim Pb – Zn (7-50%) hoặc thêm antimon để giảm giá và tăng độ bám (Pb 92%;

Sb 5%; Sn 3% hoặc Pb 96%; Sb 2%; Sn 2% ) cũng như các hợp kim với bismut(Pb 77,5%; Sb 12,5%; Bi 10% ) và hợp kim với cadimi (Pb 82,5%; Sb 12,5%; Cd5%)

Chì tương đối trơ điện hóa, dễ tạo thành lớp thụ động khó tan trong nhiềumôi trường như H2SO4, H2CO3, HF, H3PO4, H2CrO4 Trong những axit này, độ bềnvững ăn mòn của lớp chì tương đối tốt, song trong HNO3 loãng, các axit hữu cơnhư axetic, formic và trong dung dịch có không khí hoà tan thì chì lại bị ăn mòn

Do có tính chất lưỡng tính nên chì phủ dễ bị ăn mòn trong môi trường kiềm, tùythuộc vào oxi hòa tan, nhiệt độ Thép phủ chì bền trong nước mặn và nước ngọt,song do độc tính, nên cấm dùng chì tiếp xúc với nước uống và thực phẩm

Lớp phủ chì thường ứng dụng trong công nghiệp hóa chất đặc biệt là axitsunfuric ( ống dẫn, thiết bị bơm, khuấy, )

1.3.4 Nhúng kẽm (Zn):

1.3.4.1 Đặc điểm chung:

Việc nhúng sản phẩm kim loại vào kẽm nóng chảy sẽ tạo nên lớp bảo vệăn mòn, chúng thường là lớp hợp kim với lớp kẽm nguyên chất ngoài cùng, kẽm

nóng chảy thường có thành phần : Zn 98,5%; Al<0,02%; Fe<0,08%; Pb, Cd, Cucòn lại đến 100%.

Khi nhúng sản phẩm sắt vào kẽm nóng chảy, do quá trình khuyếch tántương hỗ của kẽm với bề mặt sắt sẽ tạo thành lớp hợp kim sắt – kẽm bám tốt vớinhiều pha (H 1.17) từ α đến ξ và η.

Hình 1.17: η-0,08% Fe; ξ-6,8-6.2% Fe;

1

δ -7-11,5% Fe; Γ-21-28% Fe; α-94% Fe;

Quá trình tạo các lớp kim loại phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ kẽm nóngchảy, thời gian nhúng, thành phần hóa học của kẽm nóng chảy và bản chất vậtliệu cũng như trạng thái bề mặt của sản phẩm nhúng

Sự tác động của kẽm nóng chảy đến sắt phụ thuộc vào điều kiện làm việcnhư nhiệt độ kẽm nóng chảy và thời gian nhúng (H 1.18)

Hình 1.18: a)Sự phụ thuộc tốc độ hòa tan sắt vào nhiệt độ

b) Sự phụ thuộc tốc độ hòa tan sắt thời gian nhúng

Khi tăng nhiệt độ, sự khuyếch tán vào thép sẽ thuận lợi hơn và khi nhiệt độcao hơn 4600C thì chỉ ưu tiên tạo lớp hợp kim và mất lớp kẽm nguyên chất màusáng bạc, nên lớp bảo vệ khi đó chủ yếu là hợp kim sắt – kẽm có màu xám

* Thành phần của kẽm nóng chảy đặc biệt gồm có sắt, chì, nhôm, cađmi, thiếc, đồng Aûnh hưởng của các nguyên tố này đến tính chất lớp mạ nhúng như sau:

Sắt hòa tan vào kẽm ở 4500C đến 0,02% và chưa ảnh hưởng đến cấu trúccũng như tính chất lớp bảo vệ, khi lượng sắt nhiều hơn sẽ tạo thành các pha Γ,

1

δ , và ξ trong đó pha ξ (FeZn13), δ1 (FeZn7), Γ(Fe3Zn10) có tinh thể to, vón

cục nổi trong kẽm nóng chảy tạo nên kẽm cứng, sẽ làm bẩn kẽm nóng chảy, làmgiảm độ bám và khả năng bảo vệ ăn mòn, làm tăng khuyết tật và sự không đồngđều cũng như làm giảm mỹ quan lớp bảo vệ Vì vậy khi hàm lượng sắt trongkẽm nóng chảy tăng, tương ứng với các pha hơp kim tạo thành sẽ làm cho tỉtrọng và nhiệt độ nóng chảy của kẽm lỏng cũng tăng

Pha Dạng tinh thể % Fe ς, g/cm3 Tnc, 0C

Độ hòa tan của chì vào kẽm ở 4500C khoảng 1%, còn khi lượng chì lớn hơn

15, chì sẽ lắng xuống đáy do tỷ trọng cao, nên có tác dụng bảo vệ đáy nồi lòkhỏi bị ăn mòn và sự va chạm của vật nhúng , cũng như làm nổi vật nhúng khirơi Tuy chì không ảnh hưởng đến quá trình tạo hợp kim Fe-Zn, song khi bị xáotrộn lớp chì ở đáy, lượng chì trong kẽm nóng chảy hơn 1% sẽ làm tăng độ nhớtcủa kẽm, làm giảm độ bám và mỹ quan lớp bảo vệ Để giảm lượng kẽm, tănglực đẩy Acsimet và tạo hoa văn, các bể mạ tôn lá thường có cấu tạo hai phần:một phần chứa chì nóng chảy và một phần chứa kẽm nóng chảy Phần chứa kẽmnóng chảy tách rời đặt trong khung sắt không đáy chiếm 1/2 bề mặt bể ngay trênlớp chì nóng chảy

Hình 1.19: sơ đồ nguyên lý bể kẽm nhúng tole lá

1-nồi lò; 2-chì nóng chảy; 3-khung dẫn hướng;

4-kẽm nóng chảy; 5-trục đẩy,kéo lá tole

Tôn lá đã tẩy sạch, hoạt hóa được nhúng trước hết vào chì nóng chảy, rồitheo đường dẫn hướng được đẩy qua lớp kẽm nóng chảy tạo lớp phủ kẽm Vì chìbay hơi độc nên trên bề mặt kim loại nóng chảy phải có lớp phủ kín và đượctrang bị hệ thống hút độc, thông gió thất tốt

Nhôm rất ảnh hưởng đến sự tạo thành các lớp hợp kim, đặc biệt với lượngnhôm cao, thời gian nhúng nhanh (ít hơn 8 ph) thì sắt ít bị tan nên hầu như khôngtạo thành lớp hợp kim Fe-Zn do tạo nhanh lớp màng ngăn là Fe-Al (Al2-Fe2) Với lượng nhôm lớn hơn 0,2% sẽ không có hợp kim Fe-Zn, còn với lượng nhômnhỏ hơn 0,2% sẽ tạo hợp kim Fe-Zn ở một nhiệt độ nhất định và thời gian nhấtđịnh Hàm lượng nhôm từ 0,005-0,05% sẽ tạo thành lớp bề mặt sáng bóng vàhoa nhỏ Lượng nhôm cao dễ tạo thành oxit, khi nồng độ từ 0,12-0,3% sẽ làmtăng độ che phủ của lớp bảo vệ, song với 0,3% nhôm độ bền ăn mòn của lớpkẽm bảo vệ sẽ bị giảm

Lượng cađmi và thiếc trong kẽm tăng sẽ làm tăng sự tác động của kẽm vớisắt, không làm ảnh hưởng đến cấu trúc song lại làm giảm tốc độ bám và độ chephủ của lớp bảo vệ

Đồng không ảnh hưởng đến cấu trúc của hợp kim Fe-Zn, song lại làm giảmđộ bám, độ phủ và mỹ quan của lớp bảo vệ, còn độ bền ăn mòn của lớp phủ cóthể giảm đến 40% khi chỉ có 0,8-1% đồng

Thành phần của sắt đặc biệt là cacbon và silic ảnh hưởng mạnh đến quátrình hòa tan sắt và kẽm

Tùy thuộc vào cách sắp xếp tinh thể của thép, cacbon trong vật liệu ảnhhưởng mạnh đến tác động của kẽm lỏng với sắt, thép, hàm lượng C lớn hơn0,15% có mức độ tác động lớn hơn thép có hàm lượng C 0,1% là 10%, còn tốcđộ ăn mòn sắt ở hàm lượng 0,88%C cao hơn ở hàm lượng 0,02%C là 6 lần.

Silic với hàm lượng 1,5% ảnh hưởng lớn đến sự hình thành lớp hợp kim vàcó thể phá hỏng lớp kẽm nguyên chất vì vậy phải biết rõ chất lượng của vật liệu,đặc biệt là hàm lượng cacbon và silic

1.3.4.2 Quy trình công nghệ và kỹ thuật nhúng kẽm:

Có hai phương pháp nhúng kẽm nóng chảy là: nhúng ướt trên bề mặt kẽmnóng chảy có trợ dung NH4Cl + ZnCl2 ; nhúng khô trợ dung được tách riêng

Hình 1.19: Sơ đồ công nghệ nhúng kẽm theo phương pháp khô.

Chuẩn bị và kiểm tra

Rửa Khử dầu mỡRửa nướcTẩy gỉ sétRửa nướcTrợ dung hóaSấy khôMạ nhúngThụ động hóa

Hình 1.20: Sơ đồ công nghệ nhúng kẽm theo phương pháp ướt.

Ưu nhược điểm của hai phương pháp nhúng kẽm được thể hiện trong bảng sau:

−Chỉ thích hợp sản phẩm nhỏ

−Lượng kẽm cứng cao

−Mặt bằng lớn

−Phải làm khô bề mặt chi tiết

−Kiểm tra thường xuyên trợ dung và kẽm nóng chảy

Chuẩn bị và kiểm tra

Rửa Khử dầu mỡRửa nướcTẩy gỉ sétRửa nướcTrợ dung hóaMạ nhúngThụ động hóa

Đối với các sản phẩm là kết cấu cột điện, cột đèn, dầm cầu, ống nước,dụng cụ gia đình như xô, chậu, thùng, ốc vít,đinh kết cấu xây dựng, tôn tấm người ta thường sử dụng công nghệ nhúng kẽm khô gián đoạn, còn công nghệnhúng ướt liên tục để nhúng dây và băng lá hoặc tấm kim loại mỏng.

Năng suất của quá trình nhúng kẽm phụ thuộc vào các yếu tố sau:

− Kích thước khối lượng, dạng, vật liệu và chất lượng xử lí bề mặt của sảnphẩm

− Kích thước bể, lò, mức độ cơ khí hóa, công cụ vận chuyển

− Dung lượng nhiệt của bể kẽm nhúng

− Tốc độ nhúng

− Nhân lực và độ thuần thục về công nghệ

Chất lượng sản phẩm sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:

− Nhiệt độ bể và thời gian nhúng

− Thành phần hóa học của bể kẽm và vật liệu nhúng

− Chất lượng xử lí bề mặt

− Tiến trình kỹ thuật nhúng

Các hiện tượng, nguyên nhân và cách xử lý các khuyết tật trong quá trình công nghệ nhúng kẽm được trình bày trong bảng sau:

Hiện tượng Nguyên nhân Cách khắc phục

Tro và trợ dung

bám bề mặt

sản phẩm

Không gạt sạch tro và trợ dung ở bề mặt kẽm nóng chảy

Giữ sạch bề mặt kẽm nóng chảy

Có vết gỉ đỏ a Tẩy gỉ không sạch

b Lớp trợ dung bị cháy

a Thép có Si, C cao

b Bề mặt có sắt oxit hoặc sắt clorua

c Nhiệt độ bể kẽm quá cao

d Thời gian nhúng quá dài

a kiểm tra chất lượng thép

b Rửa kỹ, giữ đúng hai lần rửa Thay đổi thời gian tẩy, thêm ức chế

c Điều chỉnh nhiệt độ phù hợpvới sản phẩm

d Thời gian nhúng kết thúc khi sản phẩm nhúng đạt nhiệt độ kẽm nóng chảy

Bề mặt vón

c Kẽm cứng bị xáo trộn

d Lượng kẽm cứng quá cao

a Chiều sâu bể kẽm và sản phẩm phải phù hợp

b; c; d : để kẽm cứng lắng Vớt kẽm cứng ra

b Bám tạp chất khi tẩy gỉ

c Làm lạnh sản phẩm quá muộn

d Khử hidro hấp thụ

a Chọn đúng chất lượng thép

b Rửa sạch hai lần, điều chỉnh

pH dung dịch trợ dung

c Tránh để sản phẩm quá nóng, sản phẩm sau khi nhúng ở 800C

d Tránh tẩy gỉ quá lâu

Tinh thể kẽm

có hoa vơí các

đường kính

khác nhau

Xảy ra quá trình tạo mầm tinh thể trên bề mặt sản phẩm hoặc trong kẽm nóng chảy

Làm sạch sản phẩm ngay sau khi nhúng để tránh tạo mầm kếttinh

Đọng giọt hoặc

vón cục từng

điểm và vùng

trên bề mặt

a Khi kéo sản phẩm ra, kẽm lỏng nóng chảy không đều mà thành giọt

b Bề mặt có dầu, có sắt oxit

Tẩy sạch dầu mỡ, tẩy sạch gỉ

Bề mặt vật

liệu không

đồng đều

Vật liệu có khuyết tật như nứt, lồi, lõm, gai rỗ lại lộ ra sau khi nhúng

Sử dụng vật liệu không có khuyết tật

Tạo bọt bóng

vùng phân bố

không đều trên

a Oxi hóa kẽm cho lực đè

b Aên mòn kẽm trong không khí

a Lót sản phẩm khi xếp chồng

b Bảo quản nơi khô, thông gió tốt

Sản phẩm ăn

mòn màu xám

xanh hoặc xám

đỏ xuất hiện

Sản phẩm ăn

mòn màu trắng

xám xuất hiện

từng chỗ hoặc

toàn bề mặt

a Tác dụng nước mưa hoặcsương thời gian dài

b Bao gói và cất giữ kém

a Loại bỏ nước mưa, sương

b Thông gió tốt

Đông đặc kẽm

trên bề mặt

sản phẩm

a Tốc độ lấy sản phẩm ra lớn

b Nhiệt độ kẽm quá thấp

c Kết cấu sản phẩm khônghợp làm kẽm chảy chậm

d Sản phẩm chạm vào nhau khi lấy ra

a Giảm tốc độ lấy ra

b Tăng nhiệt độ kẽm nóng chảy

c Chọn kết cấu phù hợp

d Thay công nghệ khi nhúng

Dồn

đống,đọng giọt

tạo gai nhọn

nơi kẽm không

chảy hết hoặc

b Chọn tốc độ nâng lấy và nhiệt độ để kẽm có đủ thời gian chảy hết (1,5m/phút) Diện tích tiếp xúc với kẽm nóng chảy lúc lấy sản phẩm nhỏ nhất

Lỗ thoát bị bịt

kín

a Lỗ quá nhỏ

b Sai công nghệ

a Chọn lỗ đủ lớn

b Nhúng chi tiết để kẽm nóng chảy tuột hết

Lớp kẽm quá

dày

a Thép có Si cao

b Nhiệt độ kẽm nóng chảy và thời gian tương ứng với khối lượng và dạng sản phẩm

c Độ nhám quá lớn

a Chọn thép khác

b Xác định điều kiện làm việc không theo khối lượng và dạng sản phẩm Thử mẫu sản phẩm để chọn điều kiện làm việc

c Làm sạch đến độ nhám trong bình

Lớp kẽm mỏng Nhiệt độ kẽm nóng chảy và

thời gian nhúng không hợp

Xác định nhiệt độ kẽm nóng chảy và thời gian hợp với khối lượng và dạng của sản phẩm thử mẫu

Có chỗ kẽm

không bám

a Vết mỡ không tẩy sạch

b Vết tẩy gỉ, cháy bề mặt không mất khi nhúng

c Chỗ vết hàn

d Sản phẩm tiếp xúc khi ngâm trong dung dịch

e Nồng độ, nhiệt độ, pH, thời gian tẩy rửa không đúng

f Trợ dung bị cháy

g Lượng nhôm quá cao

h Nhúng quá chậm

i Sản phẩm nhúng dính nhau

j Khí không thoát hết

a Chọn phương pháp tẩy và chất tẩy mỡ thích hợp

b Xử lý bề mặt cho sạch

c Chọn phương pháp hàn thíchhợp, làm sạch que hàn

d Trở sản phẩm cho dung dịch thấm đều

e Giữ đúng chế độ, công nghệ

f Sấy đúng nhiệt độ quy định

g Điều chỉnh lượng nhôm

h Điều chỉnh tốc độ nhúng

i Tránh để dính nhau

j Lắc sản phẩm

Lớp kẽm co lại

không bám

a Trợ dung không bám

b Trợ dung bị cháy

c Bề mặt bẩn

a Phân tích điều chỉnh nồng độ trợ dung

b Giảm nhiệt độ sấy

c Kiểm tra khâu làm sạch