I Ăn mòn

1.Khái niệm

Chất ăn mòn (chất tác dụng) là những chất xung quanh cấu kiện, tác động lên vật liệu và là nguyên nhân gây ra ăn mòn thí dụ như không khí trong phòng, khí quyển ngoài trời có hoặc không có ô nhiễm kỹ nghệ, khí quyển vùng biển, nước ngọt và nước mặn, mặt đất hay hóa chất. Những tổn hại do sự ăn mòn nơi xe cộ, thiết bị và cấu kiện thép rất lớn (Hình 1).

Có thể hạn chế một phần bằng cách ứng dụng những phương pháp bảo vệ phù hợp.
2.Nguyên nhân ăn mòn
Quá trình ăn mòn diễn biến tùy theo hoàn cảnh, theo nhiều cách tác dụng khác biệt. Do đó người ta phân chia ra thành ăn mòn điện hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao. Hư hỏng ăn mòn thường xuyên nhất trong máy móc dựa trên cơ bản ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa
Trong loại ăn mòn điện hóa, trên mặt kim loại quá trình ăn mòn xảy ra dưới lớp màng nước có khả năng dẫn điện, chất điện giải. Một chất điện giải có thể là một lớp độ ẩm rất mỏng hay nước còn lại trong khe hở mà cũng có thể là mồ hôi tay dính lên chi tiết. Ăn mòn điện hóa bằng dưỡng khí (khí oxy) trên mặt thép ẩm Bề mặt của cấu kiện kim loại bị lớp màng ẩm phủ lên trong phòng có độ ẩm hay thời tiết ẩm ướt ngoài trời. Cấu kiện có mặt láng bằng thép carbon hay thép hợp kim thấp sẽ bị đốm gỉ vẩy đầy sau một vài ngày (Hình 2).

Những biến chuyển, cơ bản xảy ra trong loại ăn mòn này, dựa trên tác dụng vào vật liệu sắt của Oxy trong không khí kết hợp với nước. Xét phạm vi của vật liệu dưới một giọt nước, người ta có thể giải thích được những diễn biến này (Hình 3):

Ở trung tâm giọt nước, sắt hòa tan thành ion Fe2+. Vùng vật liệu này tác động như một khoảng dương cực cục bộ (vùng cực dương). Trong phạm vi biên của giọt nước những ion OH-, tạo thành do phản ứng giữa Oxy của không khí trong nước, với ion sắt Fe2+ lúc ban đầu thành hyđrôxít sắt Fe(OH)3 và từ đó trở thành lớp gỉ FeO(OH). Chất này tách rời thành một dạng vòng ở biên giọt nước. Sự cấu tạo đốm gỉ lúc ban đầu có thể quan sát trên mặt thép (Hình 2). Trong diễn biến tiếp tục của quá trình ăn mòn, toàn thể diện tích của mặt thép sẽ bị gặm mòn từ những vị trí này. Ăn mòn điện hóa nơi nguyên tố ăn mòn Loại ăn mòn này dựa trên tiến triển tương tự như của một nguyên tố điện giải. Một pin điện gồm có hai điện cực bằng kim loại khác nhau cắm vào một chất lỏng dẫn điện, chất điện giải (Hình 4).

Với sắp xếp này kim loại kém quý hơn bị hòa tan; nó bị ăn mòn.
Nơi nguyên tố điện giải kẽm/đồng, điện cực kẽm (cực dương) sẽ hòa tan dưới dạng ion Zn2+, trong khi đó ở điện cực đồng (cực âm) nước phân hóa để phát sinh ra khí hydro (khinh khí). Giữa đôi điện cực có một điện áp thấp, tùy thuộc vào vật liệu của điện cực. Qua đo đạc, điện áp của từng vật liệu điện cực được xác định, được gọi là điện áp chuẩn. Chúng được ghi vào dãy điện áp của kim loại (Hình 1).

Phía trái điện áp bằng không của khí hydro tụ họp những kim loại thường, phía phải tụ họp kim loại quý Trong một nguyên tố điện giải, kim loại nằm xa hơn bên trái sẽ bị hòa tan, thí dụ như chất kẽm ở nguyên tố Zn/Cu (Hình 4, trang 301). Độ lớn của điện áp trong nguyên tố điện giải có thể tính từ sự khác biệt của điện áp chuẩn.
Thí dụ: nguyên tố điện giải Zn/Cu. Điện áp chuẩn của đồng là +0,34 V, của kẽm là -0,76 V. Nhờ đó nguyên tố điện giải có một điện áp +0,34 V- (-0,76 V) = 0,34V + 0,76 V= 1,1 V
Điều kiện để thành nguyên tố điện giải được hiện diện trên nhiều vị trí của thiết bị và cấu kiện. Những phạm vi này được gọi là nguyên tố ăn mòn. Để có nguyên tố này cần phải có hai kim loại khác nhau và một ít chất lỏng (chất điện giải).
Tiêu biểu cho nguyên tố ăn mòn là chỗ hư hỏng của lớp mạ kim loại trên mặt của cấu kiện bằng thép hoặc nơi tiếp xúc của hai bộ phận bằng vật liệu khác nhau cũng như thành phần cấu trúc khác nhau của hợp kim (Hình 2).

Mỗi loại kim loại thường ở những chỗ này sẽ bị hư hỏng do sự hòa tan vào chất điện giải. Sự thụ động. Trong thực tế một số kim loại có tính chất không như sự chờ đợi theo dãy điện áp của kim loại.
Thí dụ: Lớp phủ crom trên mặt thép. Khi trở thành nguyên tố ăn mòn đứng xa hơn về phía trái theo dãy điện áp kim loại, nghĩa là crom, bị hòa tan. Tuy nhiên hình ăn mòn của thép phủ crom cho thấy bị ăn mòn phía dưới và làm bong (tróc) lớp crom. Nguyên do là sự thụ động hóa (sự làm trơ) của mặt crom bằng cách cấu tạo oxit crom. Vì thế nên thép bị ăn mòn. Tác dụng của sự thụ động hóa crom cũng là nguyên nhân của sức bền chống ăn mòn của các loại thép có chứa crom, thí dụ ở trong X5CrNi18-10.
 Ăn mòn nhiệt độ cao

Thí dụ: Việc tạo oxit sắt ở trên một chi tiết rèn được nung trong biến dạng nóng (Hình 3).

Trong quá trình này sắt (Fe) phản ứng với oxy (O2) thành oxít sắt (Fe2O3) theo phương trình phản ứng 4Fe+3O2 → 2 Fe2O3.
Ở nhiệt độ bình thường của môi trường vật liệu kim loại chỉ phản ứng với khí khô trong trường hợp ngoại lệ, thí dụ như khí clor khô có tính ăn mòn. Kim loại chỉ phản ứng với không khí khô ở nhiệt độ cao. Vì thế loại ăn mòn này được gọi là ăn mòn nhiệt độ cao hay gọi đơn giản là bị gỉ sét khi nóng. Ăn mòn nhiệt độ cao xuất hiện vào lúc rèn, vào lúc nung và vào lúc tôi các chi tiết.

3 Các loại ăn mòn

Tùy theo vật liệu và tác nhân ăn mòn (chất tác dụng ăn mòn), các loại ăn mòn xuất hiện với những hình thức bề ngoài điển hình như sau:
• Ăn mòn bề mặt đồng đều (Hình 1).

Ở đây bề mặt bị ăn mòn tấn công hầu như đều đặn và chậm. Loại ăn mòn này xuất hiện nơi những cấu kiện bằng thép carbon không có lớp phủ để ngoài trời hay tại những chi tiết rèn bị ăn mòn ở nhiệt độ cao.
• Ăn mòn trũng (lõm sâu) và ăn mòn lỗ (Hình 2) phần lớn được nhận dạng qua việc vật liệu bị ăn mòn dạng mặt phẳng thêm vào đó trũng hoặc lỗ.

• Ăn thủng lỗ (Ăn mòn điểm, ăn mòn lỗ chỗ) Nơi thép không gỉ tiếp xúc với môi trường tác dụng có chứa ion chlor như nước biển hoặc nước có chứa chlor, cũng có ăn mòn điểm độc nhất với vết khía dạng kim chích vào vật liệu. Loại ăn mòn này rất nguy hiểm cho ống dẫn hay bồn chứa có áp suất.
• Ăn mòn tiếp xúc (Hình 3) có được khi hai cấu kiện từ các vật liệu khác nhau nằm tiếp giáp bên nhau và có độ ẩm (làm chất điện giải).

Chất kém quý trong hai kim loại của nguyên tố ăn mòn sẽ bị phá hủy do phân giải. Ăn mòn tiếp xúc phát sinh thí dụ như tại ổ trượt, nếu những ống lót (bạc lót) làm bằng một vật liệu khác với khung bợ trục hoặc là lắp ghép bằng bulông, khi bulông và các phần kết nối bằng những vật liệu khác nhau.
• Ăn mòn khe hở (Hình 4) xuất hiện khi hàm lượng oxy khác biệt trong chất điện giải vì sự thâm nhập không khí vào khe hở bị cản trở. Đó là trường hợp trong khe lắp ghép giữa hai cấu kiện (gỉ lắp ghép) hoặc là ở trong khe hở giữa lỗ thông và vít hoặc là các tấm được hàn nằm chồng lên nhau.

• Ăn mòn thông khí (Hình 5) xuất hiện nơi những thùng chứa được đổ nước vào một phần. Sự tấn công ăn mòn xảy ra trước ở vị trí dưới mặt nước một tí. Nguyên nhân là sự khác biệt về hàm lượng oxy ở bề mặt và lớp nước sâu hơn.

• Ăn mòn chọn lọc (Hình 6). Trong nhóm này việc tấn công ăn mòn được ưu tiên (có lựa chọn) chạy dọc theo một vùng nhất định của cấu trúc. Tùy theo vùng cấu trúc bị phá hủy người ta phân chia thành:

• Ăn mòn liên tinh thể, khi sự phá hủy chạy dọc theo đường biên của các hạt tinh thể,
• Ăn mòn xuyên tinh thể, khi ăn mòn đi xuyên qua các tinh thể. Vì ăn mòn chọn lọc xuất hiện trong phạm vi kích cỡ của tinh thể, nếu nhìn bằng mắt thường sẽ không nhận thấy được cho nên đặc biệt nguy hiểm.
• Ăn mòn nứt do ứng suất và ăn mòn nứt do rung (Hình 7) xảy ra vì tương tác của tấn công dạng điện hóa (như khí quyển khu kỹ nghệ) và tải kéo cao của một cấu kiện. Tùy theo môi trường tác dụng và loại tải, ăn mòn tiến theo hướng liên tinh thể hoặc xuyên tinh thể.
 

II Bảo vệ chống ăn mòn

1.Chọn lựa vật liệu thích hợp
Việc bảo vệ chống ăn mòn cho một cấu kiện tốt nhất và ít tốn kém nhất là sự lựa chọn vật liệu thích hợp, không bị ăn mòn dưới tác động của môi trường được dự kiến. Điều cần thiết là phải biết sự chịu đựng ăn mòn của vật liệu đối với những tác động môi trường khác nhau (Bảng 1).

Thường xuyên vì lý do kỹ thuật, thí dụ như đòi hỏi về độ bền hay do kinh phí, người ta không thể lựa chọn vật liệu thuận lợi nhất theo quan điểm về ăn mòn. Như vậy người ta phải bảo vệ vật liệu đã được định trước bằng những biện pháp ngăn ngừa ăn mòn.

2.Thiết kế thích ứng với sự chống ăn mòn
Cấu kiện và máy móc nên được thiết kế như thế nào để không có chỗ nguy cơ bị ăn mòn (Hình 1):

• Loại trừ ăn mòn tiếp xúc bằng cách dùng vật liệu giống nhau trong nhóm cấu kiện hoặc lớp giữa để cách ly.
• Tránh có khe hở bằng cách thực hiện mối hàn đúng cách thay vì kết nối bulông. Sử dụng tiết diện kín thí dụ ống tròn.
• Cần tạo bề mặt láng nhiều như có thể, thí dụ như qua mài hay đánh bóng.
• Loại bỏ đỉnh ứng suất trong cấu kiện bằng cách tránh sử dụng khía sắc cạnh hoặc cách chuyển tiếp đột ngột giữa tiết diện.
3.Giảm tính ăn mòn của chất bao quanh
Trong nhiều trường hợp, không phải toàn thể mà chỉ từng thành phần của chất bao quanh có tác động ăn mòn, thí dụ như độ ẩm của không khí hay ion axit trong chất bôi trơn làm nguội. Bằng cách tách rời chất ăn mòn ra khỏi môi trường bao quanh người ta có thể giảm tác động ăn mòn một cách đáng kể hoặc loại trừ hẳn. Cách này phần nào có thể thực hiện bằng cách đơn giản.
Thí dụ: Chất bôi trơn làm nguội và chất bôi trơn được pha thêm vào chất kìm hãm (chất ức chế) ăn mòn. Chất này kết
hợp với thành phần ăn mòn đã được đưa vào, thí dụ như muối hay ion axit, và làm cho chúng vô hại.

4.Bảo vệ chống ăn mòn trong lúc và sau khi gia công cắt gọt
Trong lúc gia công cắt gọt, sự ăn mòn bị cản trở bằng chất kìm hãm được pha vào chất làm nguội và bôi trơn. Chất kìm hãm là chất gây tác dụng thụ động có dạng dầu hay chất dạng như muối. Chúng kết thành trên vật liệu một lớp mỏng bảo vệ chỉ dày độ vài lớp phân tử không nhìn thấy bằng mắt thường.

Ngay sau khi gia công xong phải tẩy nước với dung dịch cắt gọt (chất làm nguội và bôi trơn) dính ở bề mặt chi tiết để bảo vệ cho đến bước gia công kế tiếp. Để thực hiện điều này người ta nhúng chi tiết vào dầu chống ăn mòn cộng thêm với phụ chất kìm hãm và chất choán chỗ của nước. Chi tiết cần đưa vào kho sau khi sản xuất, được làm sạch và làm khô rồi nhúng vào sơn trong để phủ một lớp mỏng (Hình 1) hoặc được bọc bằng một lớp giấy đặc biệt có thấm dầu để bảo vệ chống ăn mòn.

5.Lớp bảo vệ chống ăn mòn trên vật liệu sắt
Phương pháp bảo vệ chống ăn mòn bằng cách tô một lớp phim mỏng hay một lớp bảo vệ lên trên cấu kiện được ứng dụng ở thép carbon, thép hợp kim thấp hay vật liệu gang sắt. Tùy theo thời gian bảo vệ muốn đạt tới, tính chất của bề mặt vật liệu được yêu cầu và các chất ăn mòn mà người ta sử dụng những cách tráng (phủ lớp) khác nhau.
Bảo vệ chống ăn mòn qua hóa luyện bề mặt (xử lý bề mặt với phương pháp hóa học)
Với phương pháp này, chi tiết gia công được ngâm vào bồn xử lý (bồn hóa luyện). Qua phản ứng hóa học, trên mặt chi tiết hình thành một lớp rắn chắc gắn bó vào vật liệu có lỗ rỗng thật nhỏ với bề dày vài μm. Qua việc thoa dầu bảo vệ chống ăn mòn tiếp theo đó, những lỗ rỗng được bịt kín lại và cấu kiện này được trang bị một lớp phim bảo vệ ngăn chặn nước thấm vào. Những phương pháp hóa luyện bề mặt vật liệu thông thường là phủ photphat (photphat hóa), phủ oxit nâu (tráng một lớp ôxit bảo vệ màu nâu đậm lên cơ phận), phủ cromat (crôm hóa với muối ôxit crom). Chúng cung cấp cho những cấu kiện sử dụng trong xưởng hay trong cơ sở sản xuất một cách bảo vệ chống ăn mòn đạt yêu cầu (Hình 3).

Tuy vậy các phương pháp này không phù hợp để bảo vệ chống ăn mòn lâu dài ở ngoài trời. Ngoài ra lớp phủ photphat cũng phù hợp để làm lớp nền bám và lớp bảo vệ chống gỉ cho việc phủ sơn (trang 230).
• Sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn
Sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn được quét lên thí dụ như khung máy, vỏ bọc bằng thép tấm hay khung sườn bằng thép. Lớp sơn bao phủ cấu kiện với một lớp nước sơn bao bọc toàn diện, lớp này bảo vệ không cho tiếp xúc với môi trường. Thời gian bảo vệ phần lớn sẽ kéo dài nhiều năm. Tuổi bền của lớp sơn phủ bảo vệ tùy thuộc trước hết vào việc tiền xử lý đúng quy cách các bề mặt cần phủ lớp. Chúng phải tuyệt đối không dính mỡ và các chất bẩn cũng như gỉ sét bám vào. Các bộ phận bị gỉ sét được phun sạch hay mài sạch. Việc khử mỡ được tiến hành qua việc rửa trôi trong chất kiềm (trang 230). Để lớp sơn bám chặt và bảo vệ chống gỉ phía dưới phủ photphat cho bộ phận thép hoặc bằng việc phủ cromat cho cấu kiện nhôm hay bằng lớp sơn với Wash-Primer (dung dịch có cromat và phốt phat).
Bảo vệ chống ăn mòn
Việc tạo lớp sơn bảo vệ được thực hiện bằng cách phun, phun sơn tĩnh điện, sơn bột hay nhúng (trang 231). Lớp sơn bảo vệ chống ăn mòn đơn giản, thí dụ như trên lớp vỏ bọc máy công cụ, gồm có lớp sơn nền và lớp sơn trên cùng (lớp sơn bảo vệ), được bôi lên mặt tôn đã photphat hóa (Hình 1).

Nước sơn được pha bằng chất kết dính như nhựa ankit hay nhựa polyurethan và chất màu hạt mịn. Lớp sơn bảo vệ chống ăn mòn tốn kém, thí dụ cho tôn khung của xe hơi, có thể kết hợp đến 6 lớp.
6.Lớp phủ bằng kim loại
Mạ kẽm nóng. Một phương pháp bảo vệ tốt chống ăn mòn ở ngoài trời cho các cấu kiện bằng thép được mạ bằng lớp kẽm (Hình 2).

Những bộ phận này được nhúng vào bồn nấu lỏng kẽm để tạo ra lớp mạ (Trang 232). Mạ lớp phủ kim loại bằng điện giải được dùng làm bảo vệ chống ăn mòn hoặc trang hoàng nhờ hình dáng đẹpthí dụ như bộ phận trang trí xe hơi. Các kim loại phủ được ưu tiên là nickel và crom cũng như mạ nhiều lớp Cu-Zn-Cr.
7.Bảo vệ chống ăn mòn với (điện) cực âm
Trong phương pháp bảo vệ chống ăn mòn bằng (điện) cực âm với cực dương hy sinh cấu kiện cần được bảo vệ, thí dụ một cái ống chôn dưới đất, được nối dây điện với tấm manhê. Một hệ thống pin phát sinh vì độ ẩm của nền đất, trong đó tấm manhê không quý (được gọi là cực dương hy sinh) tự phân giải. Cái ống được xem là âm cực và vì thế được bảo vệ. Trong phương pháp bảo vệ ăn mòn bằng điện cực âm với cực dương điện ngoại, cấu kiện là cực âm được nối với cực âm (cực -) của bình điện (ắc quy), trong khi cực dương là than chì được gắn vào cực dương (cực +) (Hình 3).

Qua đó cấu kiện trở thành cực âm và nhờ vậy được bảo vệ chống ăn mòn.
8.Bảo vệ chống ăn mòn của vật liệu nhôm
Những cấu kiện bằng nhôm vốn có khả năng chịu đựng ăn mòn được cải thiện bằng oxy hóa cực dương. Để thực hiện việc này, cấu kiện xem là cực dương được nối vào một hệ thống điện giải (Trang 232). Trên cấu kiện nhôm, phản ứng tạo thành một lớp oxít (Al2O3) cứng, có sức bền chống ăn mòn và dính chặt (Hình 4). Lớp oxít hóa tại cực dương nhôm này để ánh sáng đi qua (trong suốt), vì thế cấu kiện nhôm giữ được mặt láng của kim loại lúc đầu