TIỂU LUẬN ĂN MÒN VẬT LIỆU

HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TIỂU LUẬN BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI Giảng viên hướng dẫn: ThS... HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TIỂU LUẬN BẢO VỆ CHỐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN

BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI

Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐOÀN MẠNH TUẤN

Sinh viên thực hiện : DU ĐỨC HOÀNG LONG

Lớp : DHHO10C

Khoá : 2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN

BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI

Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐOÀN MẠNH TUẤN

Sinh viên thực hiện : DU ĐỨC HOÀNG LONG

Lớp : DHHO10C

Khoá : 2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

TP.HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA

HỌC - // -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

//

-NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN

Họ và tên sinh viên: DU ĐỨC HOÀNG LONG

MSSV: 14095651

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu

Lớp: DHHO10C

1 Tên tiểu luận:

Bảo vệ chống ăn mòn vật liệu bằng phương pháp oxy hóa kim loại

2 Nhiệm vụ của đồ án:

- Cơ sở lý thuyết của quá trình bảo vệ chống ăn mòn vật liệu bằng phương phápoxy hóa kim loại

- Quy trình công nghệ sản xuất màng oxyt kim loại nhôm

3 Ngày giao đề tài: ngày 3 tháng 9 năm 2017

4 Ngày hoàn thành đề tài: ngày 3 tháng 10 năm 2017

5. Họ tên giáo viên hướng dẫn: Đoàn Mạnh Tuấn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 10 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

ThS Đoàn Mạnh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Con đường đi đến thành công thật không phải dễ dàng đạt được nếu không có những

sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trongsuốt thời gian bước vào học kỳ mới, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡcủa quý thầy cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin chân thànhcảm ơn thầy Đoàn Mạnh Tuấn đã tận tâm hướng dẫn cũng như có những chia sẻ quýbáu không chỉ riêng môn “Ăn mòn và bảo vệ vật liệu” mà còn cả chuyên ngành “Côngnghệ vật liệu” mà em đang theo học Nếu không có những lời hướng dẫn, những chia

sẻ kinh nghiệm sống, những lời dạy bảo của thầy thì em nghĩ bài thu hoạch này của emrất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy

Trong quá trình hoàn thành cuốn tiểu luận này, em gặp khó khăn trong khâu viết báocáo do mới áp dụng lần đầu các biểu mẫu, khó tránh khỏi sai sót, rất mong thầy bỏqua Đồng thời do những bỡ ngỡ của thao tác làm việc mới, bước đầu đi vào thực tế,tìm hiểu chi tiết hơn về lĩnh vực nghiên cứu vật liệu, kiến thức của em còn hạn chế ,rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy để em học thêm được nhiều kinhnghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn ở bài báo cáo tốt nghiệp sắp tới

Sau cùng, em xin kính chúc thầy cũng như quý thầy cô trong khoa công nghệ hóa họcthật dồi dào sức khỏe, tràn đầy niềm tin để tiếp tục thực hiện sự nghiệp trồng ngườicủa mình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 10 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

Đoàn Mạnh Tuấn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1

1.1 Khái niệm về sự ăn mòn kim loại 1

1.2 Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại 1

1.2.1 Ăn mòn hóa học 1

1.2.2 Ăn mòn điện hóa 2

1.3 Các nhân tố ảnh hưởng 3

1.4 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn 3

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU BẢO VỆ VẬT LIỆU NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI 5

2.1 Cơ sở lý thuyết 5

2.2 Các phương pháp oxy hóa nhân tạo điển hình 6

2.2.1 Phương pháp hóa học 6

2.2.2 Phương pháp điện hóa 7

2.3 Nhuộm màu nhôm sau khi oxy hóa 11

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG OXYT BẢO VỆ VẬT LIỆU TRÊN NỀN NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA 12

3.1 Nhôm anod 12

3.2 Sơ đồ khối quy trình công nghệ 13

3.3 Thuyết minh quy trình công nghệ 14

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM

LOẠI

1.1 Khái niệm về sự ăn mòn kim loại

Sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng hóa học hoặc điện hóa của kimloại với môi trường xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại

1.2 Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại

Người ta phân loại quá trình ăn mòn kim loại theo nhiều cách khác nhau: theo cơcấu của quá trình ăn mòn, theo điều kiện của quá trình ăn mòn, theo đặc trưng củadạng ăn mòn, Trong bài tiểu luận này, chúng ta phân loại ăn mòn theo cơ cấu củaquá trình ăn mòn để dễ dàng nghiên cứu, bao gồm 2 loại chính :

1.2.1 Ăn mòn hóa học

Là quá trình ăn mòn do tác dụng hóa học giữa kim loại với môi trường, nó tuântheo các định luật cơ bản về động học của phản ứng dị thể,

Đặc điểm của quá trình ăn mòn:

- Không phát sinh dòng điện ăn mòn

- Sản phẩm nằm lại trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và môi trường

Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị của lò đốt, các chi tiết của động

cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao

Phản ứng oxy hóa kim loại:

xMe + y/2 G2 =MexGy

1.2.2 Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hoá kim loại là sự tự phá huỷ kim loại do tác dụng điện hoá với môitrường chất điện giải

- Quá trình oxy hoá và khử không tiến hành trên cùng một chỗ

- Tốc độ của quá trình ăn mòn KL là tổng tốc độ ăn mòn của nhiều pin cục bộ Chấtđiện giải thường gặp là nước có hoà tan muối, axít, kiềm

Ví dụ : phần vỏ tàu biển chìm trong nước, ống dẫn đặt sâu trong lòng đất, kimloại tiếp xúc với không khí ẩm,

Thực chất của ăn mòn điện hóa là do sự không bền nhiệt động của kim loại trongđiều kiện làm việc nghĩa là trên kim loại xuất hiện những vi pin, những chỗ có điện thế

âm hơn là anot và những chỗ có điện thế dương hơn là catot

Đặc điểm của quá trình ăn mòn:

- Xuất hiện dòng điện cục bộ

- Chỉ vận dụng trong môi trường chất điện giải

Trong tự nhiên phần lớn kim loại bị ăn mòn chủ yếu xảy do bởi ăn mòn điện hóa.Các điều kiện ăn mòn điện hóa:

Các điện cực phải khác chất nhau: có thể là cặp kim loại khác nhau, cặp kim loại phi kim, cặp kim loại - hợp chất hóa học

Các điện cực phải tiếp xúc với nhau (hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn)

- Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch điện li

1.3 Các nhân tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng của bản chất kim loại: Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đếnđiện thế tiêu chuẩn, hoạt độ hóa học của kim loại Điện thế tiêu chuẩn của kim loạicàng âm thì hoạt độ hóa học càng cao, kim loại càng dễ ăn mòn Tuy nhiên có nhữngkim loại (Ni, Cr) điện thế tiêu chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao nhưng tính bền ăn mòn

tốt Đó là do trên bề mặt hình thành lớp màng oxi hóa sít chặt có thể bảo vệ kim loạikhỏi sự ăn mòn Như vậy gọi là sự thụ động hóa kim loại Tính chống gỉ của kim loạicòn liên quan đến hàm lượng tạp chất và độ bóng của nó Tạp chất của kim loại càngnhiều thì tính chống gỉ của nó càng kém Độ bóng kim loại càng cao, tính chống gỉcàng tốt.

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới sự ăn mòn Nhiệt độcàng cao, hoạt độ hóa học của kim loại và dung dịch tăng, do đó làm tăng sự ăn mòn.Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn: Tính chống gỉ của kim loại có quan hệ trựctiếp tới môi trường ăn mòn Trong những môi trường khác nhau, tính ổn định của kimloại cũng khác nhau

1.4 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn

- Bảo vệ vật liệu bằng lớp phủ khuếch tán

- Bảo vệ vật liệu bằng phương pháp điện hóa

- Bảo vệ vật liệu bằng chất chậm ăn mòn

- Bảo vệ vật liệu bằng phương pháp lớp phủ kim loại

- Bảo vệ vật liệu bằng phương pháp lớp phủ phi kim loại

- Bảo vệ vật liệu bằng hợp chất hóa học

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU BẢO VỆ VẬT LIỆU NHÔM BẰNG

PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA KIM LOẠI

2.1 Cơ sở lý thuyết

Quá trình bảo vệ kim loại bằng phương pháp oxy hóa kim loại thực chất là quátrình tạo lớp oxit có thể kèm theo giai đoạn nhuộm màu kim loại là một phương phápgia công bề mặt kim loại được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để xử lý bề mặt kimloại Quá trình này có thể nằm ở bước cuối cùng của gia công hoặc là bước chuẩn bị bềmặt kim loại tốt nhất trước khi sơn phủ hoặc nhúng dầu mỡ để bảo vệ các chi tiết kimloại đen

Mục đích:

- Tạo lớp oxit có chiều dày, độ kín khít, khả năng bám vào nền kim loại và các tínhchất khác thích hợp để làm lớp phủ bảo vệ kim loại nền chống lại ma sát và tác dụng

ăn mòn của môi trường

- Lợi dụng màu sắc của lớp oxit để trang trí cho vật liệu kim loại hoặc tạo các lớp xốptrên bề mặt kim loại tạo nền bám cho các chất nhuộm hoặc sơn phủ lên

Ưu điểm:

- Oxi hóa kim loại và nhuộm màu kim loại vừa có thể tạo lớp bảo vệ, đồng thời chođược lớp phủ màu sắc đa dạng, bền mà các phương pháp xử lý bề mặt khác như mạđiện, mạ hóa hay nhúng nóng khó có thể thực hiện được

- Có thể áp dụng để tạo lớp phủ cho các kim loại hoạt động khó mạ như nhôm, magie

Đặc điểm của vật liệu nhôm: Nhôm là kim loại có nhiều đặc tính tốt như khối

lượng riêng thấp, mềm, độ bền cơ học cao, là vật liệu sử dụng phổ biến Do những đặctính như vậy nhôm giữ một vị trí ưu tiên trong các ứng dụng công nghiệp khác nhauđặc biệt là trong kiến trúc Các ứng dụng này tăng một phần là do các hợp kim nhômđặc biệt đã được tạo ra một số có độ tinh khiết và khả năng chống ăn mòn đặc tínhđáng chú ý Trong tự nhiên, trên bề mặt nhôm luôn tồn tại lớp oxit có khả năng thụđộng hóa giúp bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn.Màng nhôm cứng , màng oxyt có chứanhiều lỗ xốp ở phía ngoài nên hấp thụ sơn và dầu mỡ tốt Tuy nhiên lớp oxit này khá

mỏng, không đều, khoảng chừng 0,02 - 0,1 m, do đó tác dụng bảo vệ rất hạn chế.Nếu được oxy hóa nhân tạo thì tác dụng bảo vệ tốt hơn, vì chiều dày lớp oxit tăng lênđáng kể (3-5m)

2.2 Các phương pháp oxy hóa nhân tạo điển hình

Oxi hóa trong dung dịch gồm: Na2CrO4 (17 - 20) g/l , Na2CO3 (57 - 60) g/l, Na2SiO3

(1 - 1,5) g/l, nhiệt độ 85 oC, thời gian 8 - 10 phút

- Nhúng màng oxyt vào dung dịch CrO3 20 g/l trong 2 - 10 giây để thụ động các lỗxốp, trung hòa kiềm còn sót lại trong màng

2.2.2 Phương pháp điện hóa

Phương pháp này dùng dòng điện một chiều, các kim loại chi tiết nhôm cần oxyhóa được nối với cực dương của nguồn điện (đóng vai trò là anod)

Điện cực catod chì được nối với cực âm của nguồn điện (đóng vai trò là catod)Thành phần dung dịch và chế độ oxy hóa:

Cơ chế tạo thành màng oxyt:

Quá trình tạo màng mỏng sít Al2O3 xảy ra rất nhanh chóng và chiều dày mànghầu như không thay đổi trong suốt thời gian oxy hóa.

Khi đã tạo màng Al2O3 xong thì cũng tồn tại hai quá trình: Quá trình tạo thành màng oxyt và quá trình hòa tan màng một phần oxyt vào axit H2SO4:

Al2O3 + H2SO4 = Al2(SO4)3 + H2O (3)

- Quá trình hoà tan này để lại trên bề mặt nhôm những lổ xốp Người ta cho rằng màng oxyt gồm có hai lớp, lớp mỏng sít nằm sát bề mặt nhôm (có tác dụng bảo

vệnhôm) ngậm ít H2O và lớp bên ngoài ngậm nhiều H2O

Cơ chế phát triển màng khi có các lỗ xốp:

+ O nguyên tử và anion O2- khuếch tán qua màng xuống đáy lỗ xốp, phản ứng tạomàng Al2O3 theo (1) và (2)

+ Phần oxyt mới hình thành này nằm phía đáy các lỗ xốp ở bề mặt phân chia giữa kimloại và oxyt, phần này sẽ phát triển ra mọi phía làm cho lớp oxyt dày thêm Màng nàychính là thành phần màng sít (Phía dưới lớp màng đáy lỗ xốp tạo màng sít)

+ Mặt khác phía trên đáy các lỗ xốp (phía màng xốp), sẽ xảy ra quá trình hòa tan màngoxyt (3)

+ Như vậy tại đây xảy ra đồng thời quá trình tạo màng(1), (2) và quá trình tan màng(3) Nếu tốc độ tốc độ tạo màng lớn hơn tốc độ tan thì màng sẽ được hình thành Nếutốc độ bằng nhau: Quá trình này làm cho màng sít sẽ có chiều dày không đổi Do tốc

độ hòa tan khác nhau nên lỗ xốp có dạng hình côn

Ngoài ra trên thành lỗ xốp còn có những phản ứng hydrat hóa

Al2O3 + H2O → Al2O3.nH2OĐồng thời cũng xảy ra quá trình hòa tan:

Al2O3.nH2O + H2SO4 = Al2(SO4)3 +

(n+3).H2OCác chất phản ứng sẽ khuếch tán vào

dung dịch trong các lỗ xốp, các khí và các sản

phẩm cũng thoát ra theo lỗ xốp

Một số lưu ý:

- Tùy theo chiều dày mong muốn, thời gian

anod hóa có thể từ 1 - 2 giờ Trong quá trình

anod hóa, nhiệt độ của dung dịch tăng lên

(chủ yếu do hiệu ứng Jun - Lenxơ), do đó phải

luôn có thiết bị để làm lạnh dung dịch

- Trong dung dịch điện phân nếu có một

lượng nhỏ axit oxalic (H2C2O4) khoảng 20 g/l

thì tốc độ tạo màng tuy có chậm hơn song

màng oxyt nhận được sít chặt hơn và có cơ

tính tốt hơn

- Nhiệt độ anod hóa có ảnh hưởng tới chất lượng lớp oxyt Nhiệt độ càng cao thì tốc độhòa tan Al2O3 càng lớn, do đó màng oxyt nhận được càng xốp Nhiệt độ anod thấp thìtốc độ tạo màng chậm, chi phí để làm lạnh dung dịch cao Kết quả tốt nhất là anod hóa

ở nhiệt độ từ -3 đến -5oC

- Nhôm sạch và hợp kim Al - Mg dễ thu được màng dày và cứng nhất.

Tính chất lớp oxitThay đổi

điều kiện

anot hóa

Chiều dàytối đa Độ cứng

Độ bám,tính hấpphụ

Độ bền ănmòn Độ xốpTăng

2.3 Nhuộm màu nhôm sau khi oxy hóa

Cách 1: Dùng chất màu hữu cơ truyền thống pha thành dung dịch nhuộm màu; bềmặt nhôm vừa oxy hóa xong được nhuộm trong dung dịch màu nói trên Nhuộm xongphải “luộc” trong nước sôi để thực hiện quá hình hydrat hóa nhằm bịt kín các lỗ xốp đãhấp phụ màu, tăng độ bền màu cho sản phẩm

Cách 2: Kết tủa một kim loại nào đó vào các lỗ xốp của màng oxyt bằng dòngđiện xoay chiều, kim loại thường dùng là coban hay thiếc Màu của màng là kết quảcủa các tương tác trong quá trình nhuộm màu điện hóa này mà có, và thay đổi thànhmột phổ màu khá rộng tùy thuộc vào điều kiện và thời gian điện phân Ví dụ, nhuộmmàu điện hóa bằng Sn2+ trong dung dịch H2SO4 20g/l + SnSO4 10g/l có phụ gia vàdùng dòng xoay chiều sẽ cho dải màu rất rộng từ vàng nhạt sang nâu đến đen tùy theothời gian điện phân và mật độ dòng điện

Bề mặt sản phẩm nhôm sau khi oxy hóa không chỉ phụ thuộc vào điều kiện tiếnhành oxy hóa mà còn vào thành phần hợp kim nhôm Trong khi rất nhiều loại hợp kimnhôm có thể oxy hóa để bảo vệ chống ăn mòn, thì chỉ một số ít hợp kim có thể nhuộmmàu được và số hợp kim cho bề mặt sáng bóng lại còn ít hơn Vì vậy chọn quy trìnhoxy hóa và nhuộm màu đúng vẫn chưa đủ mà còn phải phù hợp với từng loại nhôm vàhợp kim nhôm nữa

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG OXYT BẢO VỆ VẬT LIỆU TRÊN NỀN NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN

Nhôm anod có thể cứng gần bằng kim cương sau khi trải qua quá trìnhanodizing Nhiều công trình xây dựng hiện đại sử dụng nhôm anod để làm kết cấukhung nhà thép và các phần kết cấu hở Nhôm anod cũng là nguyên liệu phổ biến dùngcho công nghệ sản xuất đồ gia dụng cao cấp như chảo, nồi anod Nhiệt độ được phân

bổ đều trên khắp bề mặt nhôm anod, và công nghệ anodizing cho phép bảo vệ hoànhảo Nhôm anod còn có thể kết hợp với công nghệ mạ điện công nghệ anodized lạnhtại đây các bể anodized được làm lạnh ở nhiệi đ ộ - 40 oC để tạo màu cho bề mặt nhômanod theo các màu đồng, thiếc và các màu kim loại khác Cũng có thể sử dụng các loạichất nhuộm màu để tạo màu trang trí cho nhôm anod Nhờ tính liên kết mạnh và bền,nhôm anod còn có thể được dùng cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau Rất nhiều cácloại vệ tinh nhân tạo quay quanh trái đất sử dụng các lớp nhôm anod để bảo vệ khỏicác mảnh vụn thiên thạch Ngành công nghiệp sản xuất ôtô sử dụng rất nhiều nhômanod trong việc sản xuất vỏ xe và các phần hở cần bảo vệ của xe Các nhà thiết kế nộithất thường sử dụng nhôm anod như là kết cấu khung cho các thiết kế ngoài trời, cũngnhư là kim loại cơ bản để sản xuất các loại đèn và các đồ vật trang trí khác Các sảnphẩm đồ gia dụng và hệ thống máy vi tính vỏ máy điện thoại cao cấp cũng có thể đượctối ưu hoá với các bộ phận sử dụng nhôm anod làm vỏ bọc.Nhôm anod có thể khôngphải là vật liệu tối ưu cho tất cả các ứng dụng vì tính chống dẫn điện của nó Khônggiống như đối với các kim loại khác như sắt, quá trình oxy hoá không làm yếu đi liênkết của nhôm Lớp “gỉ nhôm” (aluminium rust) được tạo ra sau quá trình oxy hoá vẫn