Nội dung

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 ẢNH HƢỞNG CỦA HÀM LƢỢNG NIKEN ĐẾN TÍNH CHẤT BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÕN CỦA LỚP MẠ HỢP KIM Zn-Ni Lê Thị Thọ1 , Hoàng Thị Thủy1, Lê Thị Hoa1 1 TÓM TẮT Các lớp mạ hợp kim Zn-Ni được nghiên cứu để bảo vệ chống ăn mòn cho các sản phẩm bằng thép. Việc đánh giá khả năng bảo vệ và độ bền chống ăn mòn cho thấy, để bảo vệ tốt cho thép, có thể sử dụng các lớp phủ hợp kim Zn -Ni có hàm lượng Ni nhỏ hơn 15%. Từ khóa: mạ hợp kim, chống ăn mòn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Kẽm có điện thế (-0,76V), Ni có điện thế (-0,25V) còn điện thế của sắt (-0,44V) nên việc chế tạo lớp mạ Zn-Ni để bảo vệ sắt theo cơ chế điện hoá sẽ kéo dài đƣợc tuổi thọ của lớp mạ [3]. Thực tế trƣớc đây, lớp phủ kẽm đã đƣợc sử dụng rất rộng rãi để bảo vệ chống ăn mòn cho thép, nhƣng trong điều kiện tự nhiên, kẽm bị ăn mòn khá mạnh (cỡ từ 1đến 5 µm/năm). Bởi vậy, để kéo dài tuổi thọ của lớp mạ kẽm, ngƣời ta phải tạo trên bề mặt lớp mạ một màng bảo vệ nhƣ các màng cromat, phot phat hoặc tạo lớp mạ hợp kim kẽm với một kim loại có điện thế dƣơng hơn... Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mạ hợp kim nói chung và mạ hợp kim Zn-Ni nói riêng đang là một hƣớng mới, còn nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn chỉnh. 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất & thiết bị Vật liệu nghiên cứu: các mẫu thép 08-KP kích thƣớc 40x50x1(mm). Đối tƣợng nghiên cứu: các lớp mạ hợp kim Zn-Ni trên nền thép Dung dịch mạ để tạo các mẫu nghiên cứu có thành phần nhƣ sau: Bảng1. Thành phần các dung dịch mạ NiCl2.6H2O ZnCl2 NH4Cl H3BO3 AZA AZB 1 DD0 DD1 DD2 DD3 DD4 DD5 DD6 - - 100g/l 125g/l 180g/l 210g/l 240g/l 250g/l 20g/l - 60g/l 250g/l 30 ml/l 1,5 ml/l 60g/l 250g/l 20g/l - 60g/l 250g/l 20g/l - 60g/l 250g/l 20g/l - 60g/l 250g/l 20g/l - 60g/l 250g/l 20g/l - Khoa Khoa học tự nhiên, trường Đại học Hồng Đức. 59 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 Các hoá chất đƣợc cân bằng cân phân tích Sartorius có độ chính xác 0,001g và pha chế bằng nƣớc cất. Dung dịch DD0 đƣợc sử dụng để pha chế các dung dịch còn lại. Các dung dịch có pH = 5,6 và kiểm tra pH bằng pH met (độ chính xác là 0,1), hiệu chỉnh pH _ bằng HCl hoặc NH4OH tinh khiết. + + 1 Quá trình mạ đƣợc tiến hành theo sơ đồ hình 1 2 (1) – Nguồn điện một chiều. (2) – Bể chứa dung dịch mạ có dung tích 20l. (3) – Catot: là vật cần đƣợc mạ treo chính giữa. 5 4 (4) – Lớp mạ: bám lên bề mặt catot. (5) 5 – Hai anot Ni treo song song. 3 Hình1 – Sơ đồ thiết bị mạ điện. Chế độ điện phân : DK = 3 A/dm , thời gian mạ 20 phút, nhiệt độ phòng. 2 Các mẫu sau khi mạ đƣợc rửa sạch bằng nƣớc, nƣớc cất, cồn etylic, sấy khô, cân lại khối lƣợng, để trong túi nilon, cho vào bình hút ẩm để chờ thử nghiệm. 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp thực nghiệm: chế tạo các mẫu mạ theo phƣơng pháp điện phân, phân tích thành phần dung dịch mạ và lớp mạ điện phân bằng phƣơng pháp hoá học (phƣơng pháp chuẩn độ thể tích) để xác định nồng độ Zn2+ và Ni2+. Đo đƣờng cong phân cực (E- i) để xác định Rp và icorr theo phƣơng pháp thế động trên máy Autolab PGSTAT 300 (tại Viện KTNĐ- Viện KH Việt Nam). Đo điện thế ăn mòn ở trạng thái không có dòng điện, độ chính xác đến mV. Xử lí số liệu thí nghiệm theo phƣơng pháp thống kê toán học. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điện trở phân cực và mật độ dòng ăn mòn của lớp mạ. Điện trở phân cực và mật độ dòng ăn mòn của các mẫu mạ Zn và hợp kim Zn-Ni thu đƣợc bằng phƣơng pháp đo đƣờng cong phân cực trong dung dịch NaCl 3% Bảng 2. Điện trở phân cực của các mẫu mạ Zn và hợp kim Zn-Ni Mẫu mạ Zn Zn thụ động Zn-10%Ni Zn-13%Ni Zn-15%Ni Zn-17%Ni Zn-19%Ni icorr, A.cm-2 12 0,5 4 2,5 1,5 1,2 0,8 RP, k.cm2 1,74 12,7 2,03 4,8 5,78 4,5 6,45 60 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 Từ các kết quả đƣa ra trong bảng 2, chúng ta có thể thấy rằng điện trở phân cực của các mẫu hợp kim Zn-Ni nói chung tăng còn mật độ dòng ăn mòn giảm khi tăng hàm lƣợng Ni trong hợp kim. Nhƣ vậy, việc hợp kim hoá lớp mạ Zn sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn của lớp mạ. 3.2. Điện thế ăn mòn của lớp mạ. Điện thế ăn mòn của các lớp mạ theo thời gian thử nghiệm trong dung dịch NaCl 3%, nhiệt độ phòng. Kết quả đƣa ra ở bảng 3. Bảng 3. Điện thế ăn mòn của các lớp mạ Zn và hợp kim Zn-Ni Mẫu mạ t.gian (h) 0 2 4 6 8 24 30 48 54 72 78 96 102 120 126 144 150 168 174 192 198 216 222 240 246 264 270 288 294 312 318 336 342 360 Zn -1011 -1013 -1000 -999 -998 -1015 -1014 -1012 -1013 -1011 -1012 -1013 -1014 -1012 -1013 -1009 -1010 -1011 -1012 -1012 -1013 -1013 -1013 -1013 -1014 -1013 -1015 -1014 -1014 -1013 -1014 -1013 -1013 -1013 Zn thụ động -1000 -997 -998 -1000 -998 -1001 -1001 -1001 -1001 -1000 -1000 -994 -996 -995 -998 -993 -993 -993 -997 -996 -996 -998 -997 -997 -998 -998 -1000 -1000 -1000 -1000 -1002 -999 -999 -999 Fe -499 -586 -632 -685 -694 -698 -702 -704 -706 -706 -706 -706 -706 -706 -706 -706 -707 -706 -707 -707 -707 -707 -707 -707 -709 -707 -707 -706 -708 -707 -708 -707 -707 -707 Zn10%Ni -951 -942 -934 -928 -905 -886 -888 -878 -878 -872 -872 -854 -858 -858 -860 -858 -854 -854 -850 -850 -854 -854 -854 -850 -849 -845 -843 -843 -844 -842 -740 -738 -737 -737 61 Zn13%Ni -918 -914 -900 -882 -866 -858 -862 -852 -838 -840 -842 -834 -834 -824 -822 -818 -814 -814 -814 -810 -814 -792 -788 -785 -786 -787 -788 -787 -788 -782 -788 -788 -789 -790 Zn15%Ni -827 -782 -756 -760 -759 -753 -752 -748 -747 -747 -748 -749 -754 -742 -744 -742 -741 -742 -749 -742 -748 -749 -751 -749 -751 -751 -750 -750 -752 -751 -748 -749 -751 -750 Zn17%Ni -745 -742 -736 -736 -726 -718 -714 -704 -706 -706 -696 -702 -701 -696 -696 -688 -696 -696 -695 -696 -706 -707 -705 -696 -707 -698 -705 -698 -707 -698 -707 -707 -706 -706 Zn19%Ni -702 -698 -688 -686 -686 -685 -683 -666 -668 -669 -670 -670 -666 -668 -670 -668 -672 -668 -668 -666 -683 -683 -683 -681 -681 -666 -668 -666 -668 -668 -668 -668 -669 -669 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 Từ bảng 3, chúng tôi xử lí số liệu về sự thay đổi điện thế ăn mòn các mẫu mạ theo thời gian và đƣa ra đồ thị hình 2. -500 §iÖn thÕ ¨n mßn, mV/SCE -600 -700 -800 -900 -1000 -1100 0 50 100 150 200 250 300 350 Thêi gian ng©m mÉu, giê Hình 2. Sự thay đổi điện thế ăn mòn các mẫu mạ mẫu mẫu thép theo thời gian khi ngâm trong dung dịch NaCl 3% Zn Zn-13% Ni Zn TĐ Zn-15% Ni Fe Zn-10% Ni Zn-17% Ni Zn-19% Ni Từ hình 2 cho thấy, điện thế ăn mòn của sắt giảm khá nhanh, khoảng gần 200 mV trong 8 giờ đầu tiên sau đó ổn định ở điện thế  -700 mV/SCE. Ngƣợc lại, điện thế ăn mòn của lớp mạ Zn và Zn thụ động ít thay đổi theo thời gian. Điện thế ăn mòn của các lớp mạ hợp kim chuyển dịch về phía dƣơng mạnh trong khoảng 10 giờ đầu tiên, sau đó chậm hơn (mẫu Zn-10%Ni và Zn-13%Ni) hoặc tƣơng đối ổn định đối với các hợp kim còn lại. Sự thay đổi các điện thế này là do sự hoà tan chọn lọc của Zn dẫn đến tăng hàm lƣợng Ni trong hợp kim. Hình 2 cho thấy, ban đầu tất cả các lớp phủ hợp kim Zn-Ni đều bảo vệ catot cho thép. Nhƣng do sự thay đổi của điện thế ăn mòn các lớp phủ giàu Ni trở nên có thế điện cực dƣơng hơn thép và vì vậy không còn khả năng bảo vệ catot cho thép nữa. Chúng ta có thể quan sát thấy sự đảo cực xảy ra càng sớm khi hàm lƣợng Ni trong hợp kim càng cao: 8 giờ và 56 giờ tƣơng ứng với các lớp phủ Zn-17%Ni và Zn-19% Ni. Đối với các hợp kim Zn-Ni 62 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 có thành phần Ni thấp hơn 15%, chúng tôi không quan sát thấy sự đảo cực. Nhƣ vậy, để bảo vệ tốt cho thép, có thể sử dụng các lớp phủ hợp kim Zn-Ni có thành phần Ni nhỏ hơn 15%. 4. KẾT LUẬN Bằng việc chế tạo các lớp mạ hợp kim Zn-Ni trên nền thép 08-KP trong dung dịch chứa amoni clorua, các muối kim loại và tiến hành thử nghiệm ăn mòn của lớp mạ hợp kim này, chúng tôi rút ra các kết luận sau: 1. Hợp kim hoá lớp mạ Zn sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn của lớp mạ. 2. Tốc độ ăn mòn các lớp mạ Zn-Ni giảm khi hàm lƣợng Ni tăng lên. 3. Kết quả về sự đảo cực của các lớp mạ có hàm lƣợng Ni cao cho thấy có sự hoà tan chọn lọc Zn. Do đó, để bảo vệ tốt cho thép, có thể sử dụng các lớp phủ hợp kim có hàm lƣợng Ni nhỏ hơn 15%. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Đình Cự (chủ biên). Cơ sở kỹ thuật nhiệt đới. NXB VHTT (2003). 2. Trần Hiệp Hải. Phản ứng điện hoá và ứng dụng. NXB GD (2002). 3. Trần Minh Hoàng. Kỹ thuật mạ điện. ĐHBK Hà nội (1996). 4. W.A. Schultze, Phan Lƣơng Cầm. Ăn mòn & bảo vệ kim loại. ĐHBK Hà nội (1985). 5. Е.Г. Кpуглова, П.М Вячеcлавов. Контроль Гальваническихванн и поркрытий. Москва (1961). 6. Brenner. Electrodeposition of alloy, Academic Press, New York (1963). EFFECTS OF NICKEL CONTENT TO PROTECT ANTICORROSION ABILITY OF Zn-Ni ALLOY COATINGS HoangThi Thuy ABSTRACT The coatings of Zn-Ni alloy were studied for anti-corrosion protection for steel products. The results showed that, in order to better protect the steel, the coating should use Zn-Ni alloys with Ni content less than 15%. Keywords: alloy coating, anti-corrosion. 63