Ăn mòn hóa học là gì và làm thế nào để loại bỏ nó?

Ăn mòn hóa học là một quá trình bao gồm sự phá hủy kim loại khi tương tác với môi trường bên ngoài hung hăng. Sự đa dạng hóa học của các quá trình ăn mòn không liên quan đến ảnh hưởng của dòng điện. Trong loại ăn mòn này, một phản ứng oxy hóa xảy ra, trong đó vật liệu bị phá hủy đồng thời là chất khử cho các yếu tố của môi trường.

Nội dung:

• Ăn mòn gas
• Đặc điểm của màng oxit
• Tốc độ ăn mòn
• Ăn mòn trong chất lỏng không điện phân
• Phương pháp chống ăn mòn
• Lớp phủ hữu cơ

Việc phân loại nhiều môi trường xâm thực bao gồm hai loại phá hủy kim loại:

• ăn mòn hóa học trong chất lỏng không điện phân;
• ăn mòn khí hóa học.

Ăn mòn gas

Hình thức ăn mòn hóa học phổ biến nhất - khí - là một quá trình ăn mòn xảy ra trong khí ở nhiệt độ cao. Vấn đề này là điển hình cho hoạt động của nhiều loại thiết bị công nghệ và các bộ phận (phụ kiện của lò, động cơ, tua bin, vv). Ngoài ra, nhiệt độ siêu cao được sử dụng trong chế biến kim loại dưới áp suất cao (nung nóng trước khi cán, dập, rèn, các quá trình nhiệt, v.v.).

Các đặc điểm của trạng thái kim loại ở nhiệt độ cao được xác định bởi hai tính chất của chúng - khả năng chịu nhiệt và chịu nhiệt. Khả năng chịu nhiệt là mức độ ổn định của các tính chất cơ học của kim loại ở nhiệt độ cực cao. Dưới sự ổn định của các tính chất cơ học đề cập đến việc bảo tồn sức mạnh trong một thời gian dài và sức đề kháng leo. Khả năng chịu nhiệt là điện trở của kim loại đối với hoạt động ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao.

Tốc độ phát triển ăn mòn khí được xác định bởi một số chỉ tiêu, bao gồm:

• nhiệt độ không khí;
• các thành phần bao gồm trong một kim loại hoặc hợp kim;
• các thông số môi trường nơi các khí được đặt;
• thời gian tiếp xúc với môi trường khí;
• tính chất của sản phẩm ăn mòn.

Quá trình ăn mòn bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi các tính chất và thông số của màng oxit đã xuất hiện trên bề mặt kim loại. Sự hình thành oxit có thể được chia theo trình tự thời gian thành hai giai đoạn:

• hấp phụ các phân tử oxy trên bề mặt kim loại tương tác với khí quyển;
• tiếp xúc với bề mặt kim loại với khí, dẫn đến một hợp chất hóa học.

Giai đoạn đầu tiên được đặc trưng bởi sự xuất hiện của liên kết ion, là kết quả của sự tương tác giữa oxy và các nguyên tử bề mặt, khi một nguyên tử oxy lấy một cặp electron từ kim loại. Liên kết đã phát sinh được phân biệt bởi sức mạnh đặc biệt của nó - nó lớn hơn liên kết oxy với kim loại trong oxit.

Lời giải thích cho mối liên hệ này nằm ở tác dụng của trường nguyên tử đối với oxy. Ngay khi bề mặt kim loại chứa đầy chất oxy hóa (và điều này xảy ra rất nhanh), ở nhiệt độ thấp, nhờ sức mạnh của van der Waals, sự hấp phụ của các phân tử oxy hóa bắt đầu. Kết quả của phản ứng là sự xuất hiện của màng đơn phân tử mỏng nhất, theo thời gian trở nên dày hơn, làm phức tạp sự tiếp cận của oxy.

Ở giai đoạn thứ hai, một phản ứng hóa học xảy ra trong đó nguyên tố oxy hóa của môi trường lấy các electron hóa trị từ kim loại. Ăn mòn hóa học là kết quả cuối cùng của phản ứng.

Đặc điểm của màng oxit

Việc phân loại màng oxit bao gồm ba loại:

• mỏng (vô hình không có thiết bị đặc biệt);
• trung bình (đổi màu);
• dày (có thể nhìn thấy bằng mắt thường).

Màng oxit thu được có khả năng bảo vệ - nó làm chậm hoặc thậm chí ức chế hoàn toàn sự phát triển của ăn mòn hóa học. Ngoài ra, sự hiện diện của màng oxit làm tăng khả năng chịu nhiệt của kim loại.

Tuy nhiên, một bộ phim thực sự hiệu quả phải đáp ứng một số đặc điểm:

• không được xốp;
• có cấu trúc liên tục;
• có đặc tính kết dính tốt;
• khác nhau về tính trơ hóa học liên quan đến khí quyển;
• chịu khó và chống mài mòn

Một trong những điều kiện trên - một cấu trúc vững chắc đặc biệt quan trọng. Điều kiện liên tục là sự vượt quá thể tích của các phân tử của màng oxit so với thể tích của các nguyên tử kim loại. Tính liên tục là khả năng của oxit bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại bằng một lớp liên tục. Nếu điều kiện này không được đáp ứng, bộ phim không thể được coi là bảo vệ. Tuy nhiên, có những trường hợp ngoại lệ cho quy tắc này: đối với một số kim loại, ví dụ, đối với magiê và các nguyên tố của các nhóm đất kiềm (trừ beryllium), tính liên tục không thuộc về các chỉ số quan trọng.

Để xác định độ dày của màng oxit, một số kỹ thuật được sử dụng. Chất lượng bảo vệ của bộ phim có thể được làm rõ tại thời điểm hình thành của nó. Để làm điều này, chúng tôi nghiên cứu tốc độ oxy hóa kim loại và các thông số của sự thay đổi tốc độ theo thời gian.

Đối với oxit đã được hình thành, một phương pháp khác được sử dụng, bao gồm nghiên cứu độ dày và đặc tính bảo vệ của màng. Để làm điều này, một thuốc thử được áp dụng cho bề mặt. Tiếp theo, các chuyên gia ghi lại thời gian cần thiết để thuốc thử xâm nhập và dựa trên dữ liệu thu được, họ kết luận rằng độ dày màng.

Hãy chú ý! Ngay cả màng oxit cuối cùng được hình thành vẫn tiếp tục tương tác với môi trường oxy hóa và kim loại.

Tốc độ ăn mòn

Cường độ ăn mòn hóa học phát triển phụ thuộc vào chế độ nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, quá trình oxy hóa phát triển nhanh hơn. Hơn nữa, sự giảm vai trò của yếu tố nhiệt động trong quá trình phản ứng không ảnh hưởng đến quá trình.

Tầm quan trọng đáng kể là làm mát và sưởi ấm thay đổi. Do ứng suất nhiệt, các vết nứt xuất hiện trong màng oxit. Thông qua các lỗ, các yếu tố oxy hóa chạm vào bề mặt. Kết quả là, một lớp màng oxit mới được hình thành, và lớp trước được bóc ra.

Không phải là vai trò tối thiểu được chơi bởi các thành phần của môi trường khí. Yếu tố này là riêng biệt cho các loại kim loại khác nhau và phù hợp với biến động nhiệt độ. Ví dụ, đồng có thể nhanh chóng ăn mòn nếu nó tiếp xúc với oxy, nhưng chống lại quá trình này trong môi trường ôxít lưu huỳnh. Ngược lại, đối với niken, oxit lưu huỳnh gây tử vong và sự ổn định được quan sát thấy trong oxy, carbon dioxide và môi trường nước. Nhưng chrome có khả năng chống lại tất cả các môi trường này.

Hãy chú ý! Nếu mức áp suất phân ly của oxit vượt quá áp suất của nguyên tố oxy hóa, quá trình oxy hóa dừng lại và kim loại thu được sự ổn định nhiệt động.

Các thành phần của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng oxy hóa. Ví dụ, mangan, lưu huỳnh, niken và phốt pho không góp phần vào quá trình oxy hóa sắt. Nhưng nhôm, silicon và crom làm cho quá trình chậm hơn. Coban, đồng, berili và titan làm chậm quá trình oxy hóa sắt hơn nữa. Các chất phụ gia Vanadi, vonfram và molypden sẽ giúp làm cho quá trình trở nên mạnh mẽ hơn, điều này được giải thích bởi tính dễ nổ và biến động của các kim loại này. Các phản ứng oxy hóa tiến hành chậm nhất với cấu trúc austenitic, vì nó thích nghi nhất với nhiệt độ cao.

Một yếu tố khác mà tốc độ ăn mòn phụ thuộc là đặc tính của bề mặt được xử lý. Bề mặt nhẵn oxy hóa chậm hơn, và bề mặt không đều nhanh hơn.

Ăn mòn trong chất lỏng không điện phân

Chất lỏng không dẫn điện (tức làchất lỏng không điện giải) bao gồm các chất hữu cơ như:

• benzen;
• cloroform;
• rượu;
• cacbon tetraclorua;
• phenol;
• dầu;
• xăng dầu;
• dầu hỏa, v.v.

Ngoài ra, một lượng nhỏ chất lỏng vô cơ, chẳng hạn như brom lỏng và lưu huỳnh nóng chảy, được phân loại là chất lỏng không điện phân.

Cần lưu ý rằng bản thân dung môi hữu cơ không phản ứng với kim loại, tuy nhiên, với sự có mặt của một lượng nhỏ tạp chất, một quá trình tương tác mãnh liệt xảy ra.

Các nguyên tố lưu huỳnh trong dầu làm tăng tỷ lệ ăn mòn. Ngoài ra, nhiệt độ cao và sự hiện diện của oxy trong chất lỏng tăng cường các quá trình ăn mòn. Độ ẩm tăng cường sự phát triển của sự ăn mòn theo nguyên tắc cơ điện.

Một yếu tố khác trong sự phát triển nhanh chóng của sự ăn mòn là brom lỏng. Ở nhiệt độ bình thường, nó đặc biệt gây hại cho thép cacbon, nhôm và titan cao. Ít quan trọng hơn là ảnh hưởng của brom lên sắt và niken. Sức đề kháng lớn nhất đối với brom lỏng được thể hiện bằng chì, bạc, tantalum và bạch kim.

Lưu huỳnh nóng chảy đi vào một phản ứng mạnh mẽ với hầu hết các kim loại, chủ yếu là chì, thiếc và đồng. Các lớp carbon của thép và lưu huỳnh titan ít bị ảnh hưởng và gần như phá hủy hoàn toàn nhôm.

Các biện pháp bảo vệ cho các cấu trúc kim loại nằm trong môi trường lỏng không dẫn điện được thực hiện bằng cách thêm kim loại kháng vào một môi trường cụ thể (ví dụ: thép có hàm lượng crôm cao). Ngoài ra, lớp phủ bảo vệ đặc biệt được sử dụng (ví dụ, trong môi trường có nhiều lưu huỳnh, lớp phủ nhôm được sử dụng).

Phương pháp chống ăn mòn

Các phương pháp kiểm soát ăn mòn bao gồm:

• gia công kim loại cơ bản với một lớp bảo vệ (ví dụ, áp dụng sơn);
  
• việc sử dụng các chất ức chế (ví dụ: cromat hoặc arsenit);
• sự ra đời của vật liệu chống lại quá trình ăn mòn.

Việc lựa chọn một vật liệu cụ thể phụ thuộc vào hiệu quả tiềm năng (bao gồm cả công nghệ và tài chính) của việc sử dụng nó.

Các nguyên tắc bảo vệ kim loại hiện đại dựa trên các kỹ thuật như vậy:

1. Cải thiện tính kháng hóa chất của vật liệu. Các vật liệu kháng hóa chất (nhựa polymer cao, thủy tinh, gốm sứ) đã tự chứng minh thành công.
2. Cô lập vật liệu từ một môi trường hung hăng.
3. Giảm sự hung hăng của môi trường công nghệ. Ví dụ về các hành động như vậy bao gồm trung hòa và loại bỏ tính axit trong môi trường ăn mòn, cũng như sử dụng các chất ức chế khác nhau.
4. Bảo vệ điện hóa (đặt một dòng điện bên ngoài).

Các phương pháp trên được chia thành hai nhóm:

1. Tăng sức đề kháng hóa học và cách nhiệt được áp dụng trước khi cấu trúc kim loại được đưa vào hoạt động.
2. Giảm sự hung hăng của môi trường và bảo vệ điện hóa đã được sử dụng trong quá trình sử dụng các sản phẩm kim loại. Việc áp dụng hai kỹ thuật này cho phép giới thiệu các phương pháp bảo vệ mới, do đó bảo vệ được cung cấp bằng cách thay đổi điều kiện vận hành.

Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để bảo vệ kim loại - một lớp phủ chống ăn mòn điện - là không có lợi về mặt kinh tế cho các diện tích bề mặt lớn. Lý do là chi phí cao của quá trình chuẩn bị.

Vị trí hàng đầu trong số các phương pháp bảo vệ là lớp phủ kim loại bằng sơn và vecni. Sự phổ biến của phương pháp chống ăn mòn này là do sự kết hợp của một số yếu tố:

• tính chất bảo vệ cao (kỵ nước, đẩy chất lỏng, độ thấm khí thấp và tính thấm hơi);
• sản xuất;
• cơ hội phong phú cho các giải pháp trang trí;
• khả năng bảo trì;
• biện minh kinh tế.

Đồng thời, việc sử dụng các tài liệu có sẵn rộng rãi không phải là không có nhược điểm:

• làm ướt không hoàn toàn bề mặt kim loại;
• phá vỡ sự kết dính của lớp phủ với kim loại cơ bản, dẫn đến sự tích tụ chất điện phân dưới lớp phủ chống ăn mòn và do đó, góp phần vào sự ăn mòn;
• độ xốp, dẫn đến tăng độ ẩm thấm.

Chưa hết, bề mặt sơn bảo vệ kim loại khỏi các quá trình ăn mòn ngay cả với thiệt hại mảnh vỡ cho màng, trong khi lớp phủ mạ điện không hoàn hảo thậm chí có thể tăng tốc ăn mòn.

Lớp phủ hữu cơ

Để bảo vệ chống ăn mòn chất lượng cao, nên sử dụng các kim loại có mức độ kỵ nước cao, không thấm nước trong môi trường nước, khí và hơi. Những vật liệu này bao gồm các chất hữu cơ.

Ăn mòn hóa học thực tế không áp dụng cho vật liệu organosilicate. Những lý do cho điều này nằm ở sự tăng tính ổn định hóa học của các chế phẩm như vậy, khả năng chống lại ánh sáng, chất lượng kỵ nước và sự hấp thụ nước thấp. Organosilicates cũng chịu được nhiệt độ thấp, có đặc tính bám dính tốt và chống mài mòn.

Các vấn đề phá hủy kim loại do ảnh hưởng của sự ăn mòn không biến mất, bất chấp sự phát triển của các công nghệ để chống lại chúng. Lý do là sự gia tăng liên tục trong sản xuất kim loại và điều kiện hoạt động ngày càng khó khăn của các sản phẩm từ chúng. Cuối cùng không thể giải quyết vấn đề ở giai đoạn này, vì vậy những nỗ lực của các nhà khoa học đang tập trung vào việc tìm kiếm cơ hội để làm chậm quá trình ăn mòn.