Các loại ăn mòn và biện pháp khắc phục

Hiện tượng kim loại bị mất mát do biến đổi hóa học được gọi là “ăn mòn”, và hình thức ăn mòn rất đa dạng. Cách thức xảy ra ăn mòn và biện pháp đối phó với nó cũng thay đổi tùy thuộc vào tính chất kim loại, môi trường và nguyên nhân. Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại ăn mòn và những đặc điểm của từng loại.

Ăn mòn toàn diện (Ăn mòn đồng nhất)

Ăn mòn toàn diện (hay ăn mòn đồng nhất) là hình thức ăn mòn cơ bản nhất, trong đó toàn bộ bề mặt của kim loại bị ăn mòn đồng đều và bị mất mát dần dần. Khi các nguyên tử không ổn định có trong kim loại nhô ra bên ngoài, nguyên tử ổn định sẽ hoạt động như cực dương và nguyên tử không ổn định như cực âm, hình thành các tế bào điện hóa rất nhỏ trên bề mặt.

Các tế bào điện hóa này xảy ra ngẫu nhiên trên bề mặt kim loại mà không có sự tập trung ở một vị trí nào. Do đó, khi xảy ra ăn mòn toàn diện, bề mặt kim loại sẽ dần dần mất mát theo thời gian và một cách đồng đều. Hình thức này thường xảy ra trong môi trường có tính oxi hóa yếu như axit hydrochloric, axit sulfuric, và axit hữu cơ, và hầu hết gỉ sét ngoài trời đều thuộc dạng ăn mòn toàn diện.

Tốc độ ăn mòn diễn ra chậm và mức độ hao mòn cũng đồng đều, vì vậy biện pháp đối phó không quá khó khăn. Bằng cách tính toán tốc độ ăn mòn, tuổi thọ an toàn của vật liệu có thể được xác định ngay lập tức. Bên cạnh đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp với môi trường cũng có thể ngăn ngừa ăn mòn.

Ăn mòn lỗ

Ăn mòn lỗ là một loại ăn mòn cục bộ (không đồng nhất) xảy ra chỉ ở một phần của kim loại. Hình dạng của nó giống như bị đâm bằng một chiếc dùi, và nếu tiếp tục tiến triển, có thể xuyên thủng độ dày của kim loại. Loại ăn mòn này xảy ra phổ biến ở các kim loại có khả năng chống ăn mòn cao như thép không gỉ và nhôm.

Hầu hết các kim loại được coi là khó gỉ đều được bảo vệ nhờ vào sự hình thành một lớp màng không hoạt động (hay còn gọi là màng bảo vệ). Tuy nhiên, lớp màng này có thể bị phá hủy trong một số điều kiện nhất định và mất đi chức năng bảo vệ.

Ví dụ, trong trường hợp thép không gỉ, nếu đặt trong môi trường có ion clo (chẳng hạn như nước biển), phản ứng hóa học sẽ làm thiếu hụt crom cần thiết để duy trì lớp màng không hoạt động, dẫn đến sự mất khả năng bảo vệ. Từ các khu vực không còn lớp màng, kim loại sẽ bị xói mòn sâu hơn, dẫn đến ăn mòn lỗ.

Khi ăn mòn lỗ xảy ra, phần bị ăn mòn (lỗ ăn mòn) trở thành cực âm, trong khi môi trường bên ngoài không bị ăn mòn trở thành cực dương, hình thành tế bào điện hóa vĩ mô. Một khi ăn mòn lỗ xuất hiện, do hoạt động của tế bào điện hóa này, quá trình xói mòn bên trong diễn ra nhanh chóng và rất khó để ngăn chặn. Để ngăn ngừa ăn mòn lỗ, cần phải thêm chất oxi hóa để tăng cường lớp màng không hoạt động hoặc giảm nồng độ ion clo và oxy hòa tan.

Ăn mòn khe

Ăn mòn khe cũng là một hình thức ăn mòn cục bộ. Nguyên lý hoạt động tương tự như ăn mòn lỗ, và xảy ra ở các kim loại dễ hình thành lớp màng không hoạt động như thép không gỉ, khi một phần của lớp màng bị mất đi. Sự khác biệt là ăn mòn không xảy ra trên bề mặt kim loại mà trong khe hở giữa các tấm kim loại hoặc giữa kim loại với vật bám dính. Mặc dù có tên là “khe”, thực tế, nó xảy ra trong những khoảng trống rất nhỏ, không vượt quá 10 micromet.

Để duy trì lớp màng không hoạt động giúp ngăn ngừa ăn mòn, cần có oxy hòa tan. Tuy nhiên, bên trong khe rất chật, vì vậy oxy nhanh chóng cạn kiệt. Khi đó, bên trong khe có nồng độ oxy thấp sẽ trở thành cực âm, trong khi bên ngoài có nồng độ cao sẽ trở thành cực dương, tạo ra một tế bào điện hóa dẫn đến ăn mòn vĩ mô. Sau khi tế bào điện hóa hình thành, quá trình ăn mòn diễn ra tương tự như ở ăn mòn lỗ.

Nguyên nhân gây ra ăn mòn thép không gỉ trong nước biển thường là do ăn mòn khe. Ăn mòn khe có thể được ngăn ngừa bằng cách sử dụng các kim loại như crom hoặc titan tạo thành lớp màng không hoạt động mạnh, thường xuyên loại bỏ vật bám dính, hoặc áp dụng cấu trúc không có khe hở.

Ăn mòn tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau

Ăn mòn tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau xảy ra khi các kim loại khác nhau tiếp xúc trong nước. Khi kết hợp, một trong hai kim loại sẽ trở thành cực dương và một sẽ trở thành cực âm. Kim loại ở cực dương được gọi là kim loại quý hoặc kim loại thuộc nhóm quý, trong khi kim loại ở cực âm được gọi là kim loại kém hoặc kim loại thuộc nhóm kém. Bảng thể hiện thứ tự này được gọi là bảng điện hóa ăn mòn.

Thép cacbon thường được sử dụng tại nhiều địa điểm, và khi tiếp xúc với thép không gỉ hoặc titan, nó sẽ trở thành cực âm, dẫn đến sự gia tăng ăn mòn. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với magiê hoặc kẽm, nó sẽ trở thành cực dương và khó xảy ra ăn mòn.

Ngoài ra, đặc điểm của ăn mòn tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau là tỷ lệ diện tích giữa kim loại kém và kim loại quý ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn. Ví dụ, khi sử dụng bu lông bằng thép cacbon để ghép nối với tấm thép không gỉ, bu lông sẽ bị ăn mòn nhanh chóng, trong khi trường hợp ngược lại, bu lông sẽ không bị ảnh hưởng nhiều.

Để tránh ăn mòn tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau, việc không để các kim loại khác nhau tiếp xúc là phương pháp hiệu quả, nhưng trong thực tế điều này là rất khó khăn. Trong trường hợp này, cần cân nhắc tỷ lệ diện tích để giảm thiểu ảnh hưởng của ăn mòn hoặc sử dụng sơn chống ăn mòn.

Nếu sơn, tránh việc chỉ sơn lên kim loại kém dễ bị ăn mòn. Bởi vì, sơn dễ bị khiếm khuyết, và trong trường hợp khiếm khuyết, phần đó của kim loại kém sẽ bị ăn mòn nhanh chóng. Do đó, khi thực hiện sơn, nên sơn cả hai loại kim loại quý và kim loại kém.

Ăn mòn ranh giới hạt

Kim loại được cấu thành từ nhiều hạt tinh thể. Vùng giữa các hạt tinh thể được gọi là ranh giới hạt, nhưng do sự sắp xếp nguyên tử không đồng nhất giữa các tinh thể, nó không ổn định và dễ bị ăn mòn. Trong các tinh thể bình thường, không xảy ra ăn mòn ở ranh giới hạt, nhưng khi kim loại bị đun nóng, thành phần kim loại bị biến đổi và ăn mòn ranh giới hạt xảy ra.

Ăn mòn ranh giới hạt thường xảy ra khi hàn thép không gỉ như SUS304. Thép không gỉ có khả năng chống gỉ do lớp màng không hoạt động hình thành trên bề mặt, mà lớp màng này cần có crom. Để đảm bảo tính chống ăn mòn của thép không gỉ, crom cần phải được kết hợp trên mức nhất định, nhưng khi hàn, carbon có trong thép không gỉ sẽ kết hợp với crom và tạo thành cacbua crom.

Cacbua hình thành ở ranh giới hạt, nhưng không giúp tạo ra lớp màng không hoạt động. Do đó, sẽ xuất hiện những khu vực không có lớp màng không hoạt động trên bề mặt thép không gỉ và ăn mòn sẽ tiến triển dọc theo ranh giới hạt.

Các biện pháp ngăn ngừa ăn mòn ranh giới hạt bao gồm việc sử dụng thép không gỉ có lượng carbon thấp hoặc thêm các nguyên tố như titan hoặc niobi dễ dàng kết hợp với carbon.

Ăn mòn do chênh lệch oxy

Ăn mòn do chênh lệch oxy xảy ra do sự khác biệt về nồng độ oxy hòa tan. Khi đặt hai tấm sắt vào dung dịch muối, ngăn cách bằng màng lọc, và trong một tấm có nồng độ oxy hòa tan cao và tấm còn lại có nồng độ thấp, tấm có nồng độ oxy hòa tan thấp sẽ trở thành cực âm và bị ăn mòn nhiều hơn tấm còn lại. Ăn mòn do chênh lệch oxy thường xảy ra ở đường ống dẫn, và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến ăn mòn cục bộ. Ở nơi có chênh lệch oxy, vi khuẩn anaerobe có thể phát triển, gây ra ăn mòn.

Để ngăn ngừa ăn mòn do chênh lệch oxy, cần duy trì lưu lượng nước và loại bỏ các vật thể lạ trong đường ống dẫn để tránh cặn bã và duy trì sự đồng đều của nồng độ oxy hòa tan.

Kết luận: Ăn mòn là một hiện tượng phức tạp và đa dạng. Mỗi loại ăn mòn có những nguyên nhân, đặc điểm và cách đối phó khác nhau. Việc hiểu rõ các hình thức ăn mòn và biện pháp ngăn ngừa sẽ giúp bảo vệ tài sản và tăng tuổi thọ cho các sản phẩm kim loại trong môi trường khác nhau.

Nguồn: Monotaro