Các dạng ăn mòn kim loại và phương pháp ngăn ngừa
Ăn mòn kim loại xảy ra gây ảnh hưởng lớn đến quá trình hoạt động của cả một hệ thống, nghiêm trọng có thể gây ra nhiều thiệt hại lớn. Khắc phục ăn mòn kim loại cũng tiêu tốn rất nhiều chi phí và nhân lực. Do đó, hiểu về các loại ăn mòn và cách phòng ngừa ăn mòn kim loại sẽ đảm bảo hoạt động của các sản phẩm, công trình, hệ thống và hạn chế phải sửa chữa, thay thế tốn kém.
Ăn mòn kim loại là gì?
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy dần dần vật liệu kim loại hoặc hợp kim xảy ra trong môi trường có hóa chất hoặc điện hóa, thông qua phản ứng hóa học hoặc phản ứng điện hóa với môi trường.
Đây là một hiện tượng phổ biến, kim loại sau một thời gian tiếp xúc với không khí, nước hay các môi trường có tính ăn mòn cao (đối với kim loại đó) sẽ xảy ra các phản ứng oxy hóa khử, tạo ra một lớp ăn mòn bám trên vật liệu kim loại được gọi là gỉ sét.
Các dạng ăn mòn
Có những dạng ăn mòn sau đây thường xảy ra đối với kim loại:
Ăn mòn bề mặt đồng đều
Ở dạng ăn mòn này, bề mặt kim loại bị phá hủy hầu như đồng đều và chậm, thường xuất hiện do có sự cọ xát vật liệu với chất lỏng hoặc khí chuyển động nhanh, chẳng hạn ở những cấu kiện bằng thép carbon không có lớp phủ để ngoài trời hoặc những chi tiết rèn bị ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Ăn mòn đồng đều còn có một hình thái đặc biệt là ăn mòn trũng (lõm sâu) và ăn mòn lỗ, được nhận dạng qua việc bề mặt vật liệu bị ăn mòn đồng đều nhưng thêm vào những vết lõm sâu hoặc lỗ. Dạng này khác với dạng ăn mòn lỗ chỗ sẽ được nhắc đến ở phần sau.
Ăn mòn lỗ chỗ
Hay cũng được gọi là ăn mòn điểm, ăn thủng lỗ là dạng ăn mòn kim loại mà sự xói mòn không đều trên bề mặt vật liệu kim loại bị ăn mòn. Thường xảy ra khi kim loại ở trong chất lỏng hoặc khí ổn định, có tốc độ thấp.
Ăn mòn khe hở
Dạng ăn mòn này thường xảy ra trong khe lắp ghép giữa hai cấu kiện (gỉ lắp ghép) hoặc là tại các lỗ gắn bu lông đai ốc hoặc giữa các tấm được hàn nằm chồng lên nhau. Nguyên nhân là do hàm lượng oxy khác biệt trong chất điện giải vì sự thâm nhập không khí vào khe hở bị cản trở.
Ăn mòn thông khí
Dạng ăn mòn này xuất hiện tại những thùng chứa được đổ nước vào một phần, sự ăn mòn xảy ra trước ở vị trí dưới mặt nước một chút. Nguyên nhân là do sự khác biệt về hàm lượng oxy ở bề mặt và lớp nước sâu hơn.
Ăn mòn tiếp xúc
Dạng này xuất hiện khi ghép hai cấu kiện từ hai vật liệu kim loại khác nhau trong môi trường chất điện giải, nên cũng được gọi là dạng ăn mòn điện cực. Hai kim loại tiếp giáp với nhau cần tạo thành hai thế điện cực và nằm trong môi trường có độ ẩm. Trong quá trình ăn mòn này, các vết lõm được hình thành trên bề mặt kim loại anode.
Sự tương tác giữa hai kim loại khác nhau có thể dẫn đến ăn mòn điện cực. Chỉ một kim loại bị ăn mòn trong quá trình này (thứ tự kim loại thể hiện bằng dãy điện áp của kim loại). Ví dụ nếu đồng thau hoặc đồng tiếp xúc với sắt thì sắt sẽ bị ăn mòn và quá trình này sẽ diễn ra cho đến khi hết sắt.
Ăn mòn chọn lọc
Dạng ăn mòn này là sự ăn mòn có sự lựa chọn, chạy dọc theo một vùng nhất định của cấu trúc. Dựa theo vùng cấu trúc bị phá hủy mà ăn mòn chọn lọc được chia thành ăn mòn liên tinh thể (sự phá hủy chạy dọc theo đường biên các hạt tinh thể) và ăn mòn xuyên tinh thể (sự phá hủy đi xuyên qua các tinh thể).
Ăn mòn chọn lọc chỉ xảy ra trong một vài điều kiện phù hợp, một cấu tử kim loại của hợp kim bị chiết tách chọn lọc ra khỏi hợp kim. Chẳng hạn như ăn mòn than chì là sự ăn mòn chọn lọc của cấu tử sắt từ hợp kim gang xám.
Các phương pháp ngăn ngừa ăn mòn kim loại
Những phương pháp chống ăn mòn dưới đây thường được sử dụng để chống ăn mòn kim loại.
Sử dụng lớp bảo vệ trên bề mặt kim loại
Phương pháp này thường dùng lớp sơn phủ ngăn cách vật liệu kim loại với môi trường, mạ điện hoặc tạo lớp phủ để chống ăn mòn.
Sơn chống ăn mòn
Sơn được quét hoặc phun lên bề mặt kim loại cần chống ăn mòn, chẳng hạn như khung máy, vỏ bọc, khung sườn… Lớp phủ vừa có chức năng bảo vệ vừa giúp tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Phương pháp sơn tĩnh điện thường được sử dụng để chống ăn mòn tốt nhất.
Sơn thường bảo vệ sản phẩm trong thời gian khá dài, có thể tới hàng năm. Độ bền của lớp sơn phụ thuộc vào chất liệu sơn và quá trình xử lý bề mặt trước khi phủ sơn. Bề mặt kim loại cần phải được làm sạch hoàn toàn khỏi quá trình oxy hóa, cáu cặn, rỉ sét, dầu mỡ, bụi bẩn… Thông thường sẽ có hai lớp sơn gồm một lớp sơn lót bên trong và sơn phủ bên ngoài. Loại sơn được lựa chọn cũng cần phù hợp với chất liệu kim loại cần bảo vệ.
Mạ điện
Là quá trình mạ kim loại này lên kim loại khác bằng quá trình thủy phân nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn cho vật liệu kim loại được mạ. Lớp kim loại được mạ cũng có nhiều loại như đồng, bạc, crom, kẽm, vàng, niken… Phương pháp mạ điện được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử, trang sức,…
Quá trình này về cơ bản là sử dụng phương pháp điện phân, kim loại mang điện tích âm và nhúng vào dung dịch chứa muối kim loại (chất điện phân) và có ion kim loại mang điện tích dương. Khi đó, do mang hai điện tích âm dương khác nhau nên tạo thành một lớp kim loại được bám chặt vào kim loại cần mạ.
Tạo lớp phủ bảo vệ
Phương pháp này chống ăn mòn bằng cách tạo một lớp màng mỏng phủ lên trên bộ phận cần bảo vệ khỏi ăn mòn. Tùy theo thời gian bảo vệ muốn đạt tới, tính chất của bề mặt vật liệu được yêu cầu và môi trường làm việc mà sẽ có những lớp phủ và cách tráng phủ khác nhau. Lớp phủ kim loại thường được tạo thành dưới áp suất cao.
Chống ăn mòn với điện cực âm
Có thể dựa vào quá trình ăn mòn điện cực để làm phương pháp chống ăn mòn một vật liệu nhất định bằng cách đẩy sự ăn mòn qua một vật liệu khác. Trong phương pháp này, một vật liệu kim loại phải đóng vai trò là cực dương và được nối với bộ phận kim loại cần được bảo vệ (đóng vai trò là cực âm), khi đó do là cực âm nên bộ phận cần được bảo vệ sẽ chống lại được sự ăn mòn. Cách làm này có hiệu quả cao và được áp dụng khá nhiều trong những kết cấu kim loại lớn khó áp dụng phương pháp sơn phủ.
Giảm tính ăn mòn của môi trường
Phương pháp này có thể được sử dụng khi bộ phận cần bảo vệ được bao quanh bởi một dung dịch nhất định nào đó, mà không phải toàn bộ mà chỉ từng thành phần của chất bao quanh có tác động ăn mòn, ví dụ như ion axit trong chất bôi trơn làm nguội. Bằng cách thêm vào dung dịch bao quanh chất kìm hãm (ức chế) ăn mòn có thể giảm tác động ăn mòn một cách đáng kể hoặc loại trừ hẳn.
Chọn vật liệu thích hợp để ngăn ngừa ăn mòn
Phương pháp chống ăn mòn tốt nhất và ít tốn kém nhất là lựa chọn vật liệu thích hợp với môi trường làm việc mà ở đó vật liệu kim loại này rất ít hoặc không bị ăn mòn dưới tác động của môi trường dự kiến. Điều này đòi hỏi cần phải hiểu về tác động của môi trường đối với các loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn trong môi trường nước biển thì không được dùng các vật liệu thép carbon và thép hợp kim thấp, thay vào đó nhôm và các hợp kim nhôm sẽ phù hợp hơn. Sự chống ăn mòn của các kim loại đối với môi trường thực tế được thể hiện trong bảng dưới đây.
Tối ưu thiết kế để chống ăn mòn
Việc thiết kế hợp lý các cấu kiện, chi tiết, bộ phận trong máy móc hay hệ thống kết cấu cũng giúp giảm nguy cơ bị ăn mòn, cụ thể:
- Loại trừ ăn mòn tiếp xúc bằng cách sử dụng các vật liệu đồng chất giống nhau trong nhóm cấu kiện hoặc tạo lớp cách ly giữa hai vật liệu khác nhau.
- Tránh các khe hở bằng cách thực hiện các mối hàn đúng cách thay vì kết nối bu-lông, sử dụng tiết diện kín chẳng hạn như ống tròn.
- Cần tạo bề mặt trơn láng nhiều nhất có thể, ví dụ mài hoặc đánh bóng bề mặt.
- Loại bỏ đỉnh ứng suất trong cấu kiện bằng cách tránh sử dụng khía sắc cạch hoặc cách chuyển tiếp đột ngột giữa tiết diện.
Phương pháp chống ăn mòn trong và sau khi gia công cắt gọt
Trong quá trình gia công cắt gọt, sự ăn mòn không mong muốn có thể gây ra bởi dầu làm nguội và bôi trơn. Khi đó chất kìm hãm ăn mòn sẽ được pha vào dầu làm nguội và bôi trơn để ngăn chặn ăn mòn vật liệu. Chất kìm hãm là chất gây tác dụng thụ động có dạng dầu hay chát dạng như muối, chúng kết thành trên vật liệu một lớp mỏng bảo vệ chỉ dày độ vài lớp phân tử.
Sau khi gia công xong cần tẩy dung dịch cắt gọt dính trên bề mặt phôi để bảo vệ vật liệu cho đến bước gia công kế tiếp. Để thực hiện điều này cần nhúng chi tiết vào dầu chống ăn mòn kèm thêm phụ gia kìm hãm và chất choán chỗ của nước. Chi tiết cần đưa vào kho sau khi sản xuất, làm sạch và làm khô rồi nhúng vào sơn trong để phủ một lớp mỏng hoặc được bọc bằng một lớp giấy đặc biệt có thấm dầu để chống ăn mòn.
