Nguyên Lý Của Mạ Kẽm Nhúng Nóng

1. Bản chất của ăn mòn:

Ăn mòn thực chất là một quá trình điện hóa. Nó xảy ra vì sự khác biệt về điện thế giữa các kim loại khác nhau, hoặc giữa các khu vực nhỏ trên 1 bề mặt kim loại có sự hiện diện của chất điện phân. Sự khác biệt về điện thế trên bề mặt kim loại có thể được gây ra bởi:

• Những biến đổi về thành phần.
• Sự hiện diện của các tạp chất.
• Lực căng bên trong không đồng đều.
• Môi trường không đồng nhất.

Môi trường có thể là không khí ẩm ướt, bề mặt ẩm hoặc chất lỏng mà kim loại được nhúng vào. Tất cả những môi trường này tạo nên các tế bào điện phân trên bề mặt kim loại, hình thành nên sự ăn mòn. Mỗi tế bào gồm 1 hạt mang điện tích dương là Anode và hạt điện tích âm là Cathode. Hạt electron sẽ được tích điện âm từ Anode sang Cathode. Sự mất mát các electron sẽ biến các phân tử Anode thành các ion dương  (+), phản ứng với các ion âm (-) của chất điện phân. Phản ứng giữa Anode và chất điện phân gây ra sự phân hủy và ăn mòn của kim loại Anode. Không có sự ăn mòn của kim loại Cathode.

Bảng dưới đây là thứ tự điện hóa của các kim loại khác nhau trong môi trường điện phân là nước biển.

Hình 2

Kim loại trên cao sẽ cung cấp bảo vệ Cathode cho các kim loại bên dưới. Do đó kẽm sẽ bảo vệ thép. Bảng trên cũng chỉ ra rằng Magné, nhôm và Cadmium cũng có khả năng bảo vệ thép. Tuy nhiên trong hầu hết các ứng dụng, Magné phản ứng và tiêu thụ quá nhanh. Nhôm thì lại tạo thành 1 lớp phủ oxit kháng và hiệu quả trong việc bảo vệ Cathode là giới hạn. Và cuối cùng là Cadmium cũng bảo vệ Cathode cho thép như kẽm nhưng ứng dụng của nó bị giới hạn vì lý do kinh tế và môi trường.

2. Sự ăn mòn của thép:

Hình 3

Như đã phân tích trong phần bản chất của sự ăn mòn, sự khác biệt về điện thế được tạo ra trên bề mặt thép bởi sự không đồng nhất về thành phần trên bề mặt thép, hoặc bề mặt ẩm ướt, hoặc bởi chất điện phân mà thép được nhúng vào. Các tế bào điện phân được hình thành gồm: Anode và Cathode.

Kết quả của sự khác biệt về điện thế trong tế bào là các electron mang điện tích âm (-) sẽ dịch chuyển từ Anode sang Cathode, và các nguyên tử sắt trong khu vực Anode sẽ chuyển đổi thành các ion dương (+).

Hình 4

Hình 5

Các ion sắt mang điện tích dương Fe++ của Anode sẽ thu hút và phản ứng với các ion mang điện tích âm OH–  trong chất điện phân tạo thành oxit sắt từ, hay còn gọi là gỉ sắt (rust). Ở Cathode, electron mang điện tích âm sẽ phản ứng với ion H+ trong chất điện phân để tạo thành khí H2.

 

 

Trong điều kiện thích hợp, sự ăn mòn diễn ra bởi hàng tỉ phản ứng mỗi giây, và rất nhanh sau đó, 1 lớp gỉ sắt sẽ xuất hiện trên khu vực Anode.

Hình 6

 

Hình 7

Thật vậy, khi phóng đại vùng Anode và Cathode của 1 mẩu thép nhỏ bằng kính hiển vi, ta nhận thấy rằng tất cả các điện liên kết với nhau ở lớp thép nền, hiện tượng ăn mòn xảy ra tại Anode.

 

Khu vực Anode sau khi bị ăn mòn sẽ làm thay đổi hiệu điện thế, và như vậy Anode và Cathode sẽ thay đổi vai trò cho nhau, khu vực trước đây chưa bị ăn mòn sẽ bị tấn công. Quá trình này cứ tiếp diễn cho đến khi toàn bộ bề mặt thép đều bị gỉ sét.

Hình 8

3. Nguyên lý của mạ kẽm nhúng nóng:

Dùng lớp phủ bảo vệ (hay gọi là bảo vệ rào chắn) để cách ly bề mặt kim loại tiếp xúc với chất điện dung trong môi trường ngoài là phương pháp cổ xưa nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc bảo vệ chống ăn mòn. Hai thuộc tích quan trọng nhất của lớp bảo vệ rào chắn là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp phủ. Sơn là một ví dụ điển hình về lớp bảo vệ rào chắn.

Từ lâu, Kẽm đã được sử dụng để tạo lớp bảo vệ do tính chất của kim loại này (tốc độ ăn mòn của Zn từ 40-50g/m²/năm so với 400-500g/m²/năm của thép, đồng thời Zn mang địên thế (+) so với Fe trong quá trình ăn mòn điện hoá…), về nguyên tắc dù được tạo bằng phương pháp nào: mạ điện phân, mạ nhúng nóng, mạ phun thì yếu tố quyết định đến tuổi thọ lớp Zn bảo vệ là độ dày lớp Zn được phủ.

Lớp phủ kẽm sau khi khô có hai chức năng bảo vệ:

• Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) với lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại sơn truyền thống.

• Chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động (active protection) tức chức năng chống ăn mòn cathode (Cathodic protection), chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng (hot-dip galvanizing).

4. Cơ chế của bảo vệ Cathode (Cathode protection):

Bảo vệ cathode là một phương pháp quan trọng để tránh ăn mòn, bản chất của bảo vệ cathode là làm thay đổi phần tử của mạch ăn mòn, tạo nên một phần tử của mạch ăn mòn mới và đảm bảo rằng kim loại nền trở thành phần tử cathode của mạch này. Mạ kẽm nhúng nóng là phương pháp đồng thời cung cấp được hai phương pháp bảo vệ chống ăn mòn đó là bảo vệ rào chắn và bảo vệ cathode.

Hình 9

Khi kẽm và thép tiếp xúc với nhau trong môi trường điện phân, sự chênh lệch về điện thế sẽ gia tăng và tế bào điện phân sẽ được hình thành. Như đã phân tích trong phần Bản chất của sự ăn mòn, kẽm có khả năng điện hóa cao hơn thép. Do đó, kẽm sẽ trở thành Anode để bảo vệ thép bên trong, nó sẽ ngăn sự hình thành các vùng Anode và Cathode trên bề mặt thép.

 

 

Do sự chênh lệch về điện thế bên trong tế bào, các hạt electron mang điện tích âm (-) sẽ dịch chuyển từ kẽm (Anode) sang thép (Cathode), và nguyên tử kẽm ở Anode sẽ chuyển thành các ion kẽm mang điện tích dương (Zn++)

Hình 10

 

Hình 11

Tại bề mặt Cathode (-), các electron mang điện tích âm sẽ thu hút và tác dụng với các ion H+ của môi trường điện phân, giải phóng khí H2. Không có phản ứng hóa học giữa thép (Cathode) và chất điện phân. Hiện tượng này ngăn cản sự ăn mòn ở Cathode, do đó sẽ được gọi là bảo vệ Cathode. Những ion kẽm Z++ tại Anode sẽ tác dụng với các ion OH– của chất điện phân và kẽm sẽ từ từ bị tiêu thụ, tạo thành 1 lớp bảo vệ hi sinh cho thép.

Khi có sự ngắt quãng hoặc hư hại ở lớp kẽm bảo vệ, bảo vệ Cahode sẽ hoạt động và đảm bảo rằng thép không bị ăn mòn.

Hình 12 & 13

Phần lớn các lớp phủ hữu cơ hoặc lớp sơn phụ thuộc vào khả năng chống thấm của nó, và trong vài trường hợp, là các sắc tố chống ăn mòn để bảo vệ thép khỏi sự gỉ sét. Các lớp này cung cấp rất ít hoặc không có sự bảo vệ thép bên trong khi có sự ngắt quảng hoặc hư hại trên lớp bảo vệ này. Do đó, sự ăn mòn bắt đầu hình thành và nhanh chóng lan rộng ra bên dưới lớp phủ.