CHƯƠNG 1. Tổng quan về thép cacbon và ứng dụng Thép cacbon, một hợp kim có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon. Các thành phần phụ trợ trong thép cacbon bao gồm mangan (tối đa 1,65 wt.%), silic (tối đa 0,6 wt.%) và đồng (tối đa 0,6 wt.%),… Trong đó, cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến cấu trúc và cơ tính của thép cacbon. Khi thành phần cacbon tăng lên thì độ bền kéo, độ cứng tăng, độ dẻo và độ dai giảm [1-3].
Tuy nhiên, độ bền kéo của thép cacbon sẽ đạt giới hạn ở khoảng 0,83 wt.% C, nếu vượt qua giới hạn này thì độ bền kéo sẽ giảm như mô tả trong Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến các đặc tính của thép cacbon. Một số ứng dụng của thép cacbon trong đời sống: (a) chi tiết máy, (b) xây dựng, (c) vật dụng gia đình và (d) đường ống. Nhờ vào khả năng có thể thay đổi các đặc tính để phù hợp với các ứng dụng khác nhau thông qua việc điều chỉnh các nguyên tố thành phần và đặc biệt hơn cả là giá thành tương đối rẻ.
Vì vậy, thép cacbon đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp xây dựng, đường ống, bể chứa hay trong một số vật dụng trong gia đình [1]. Tuy nhiên, thép cacbon vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như không thể dễ dàng uốn cong và đúc thành các hình dạng khác nhau. Ngoài ra, thép cacbon cũng dễ bị gỉ và ăn mòn làm giảm đi chất lượng đáng kể và gây khó khăn trong ứng dụng. Do đó, vấn đề 3 do an giảm thiểu ăn mòn đối với thép cacbon hiện đang được các nhà nghiên cứu tích cực tìm giải pháp để giúp thép cacbon tối ưu hơn và có thể cạnh tranh với các loại thép khác trên thị trường đơn cử như thép không gỉ [4-6].
Vì vậy, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu ăn mòn và giảm thiểu ăn mòn thép cacbon trong môi trường giả định nước biển (NaCl 3,5 wt. Ăn mòn trong dung dịch điện li Ăn mòn trong dung dịch điện li (ăn mòn điện hóa) là quá trình phá hủy bởi phản ứng giữa kim loại hay hợp kim với môi trường. Trong tự nhiên, các nguyên tử kim loại sẽ liên kết hóa học với các nguyên tố khác tạo ra các hợp chất hóa học (ôxit hay hyđrôxit) để có thể đạt trạng thái bền hơn (ví dụ như các quặng khoáng sản). Quá trình ăn mòn sẽ làm cho các nguyên tố kim loại trên bề mặt vật liệu bị ôxy hóa trở thành các dạng hợp chất hóa học tương tự hay thậm chí là giống với khoáng sản đã tạo ra chúng ở trạng thái ổn định hơn ở điều kiện hoạt động.
Quá trình này sẽ phát ra lượng năng lượng bằng với lượng năng lượng cần có để các nguyên tố kim loại có thể đạt trạng thái bền hơn [7]. Cấu tạo của mô hình ăn mòn trong dung dịch điện li. Ăn mòn điện hóa có thể được mô tả như Hình 1.3, để có thể xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa thì cần phải có đủ 4 điều kiện cần thiết, đó là: - Anốt; - Catốt; - Dây dẫn nối anốt và catốt; - Dung dịch điện li. Cơ chế của quá trình ăn mòn điện hóa được biễu diễn bằng các phương trình phản ứng như sau: - Ở anốt sẽ xảy ra quá trình ôxy hóa làm cho kim loại bị hòa tan và cho đi các electron.
M → Mn+ + ne (1-1) 4 do an - Ngược lại ở catốt sẽ xảy ra quá trình khử nhờ các electron được cung cấp từ anốt di chuyển qua: + Nếu trong môi trường trung tính thì sẽ xảy ra phản ứng: O2 + 2H2O + 4e- → OH- (1-2) + Nếu trong môi trường axít thì sẽ xảy ra phản ứng: O2 + 4H+ +4e- → 2H2O (1-3) + Trong trường hợp không có các phản ứng kể trên thì nước sẽ bị khử. Giả sử nước bị phân li thành H+ và OHˉ, ta có thể đơn giản phương trình thành: H2O + 2e- → H2 + OH- (1-4) 2H +2e → H2 + - (1-5) Sản phẩm từ 2 phản ứng ở anốt và catốt sẽ kết hợp lại với nhau tạo thành các ôxit hay hyđrôxit kim loại và bám lên bề mặt của vật liệu. Cụ thể trong báo cáo này sẽ đề cập đến ăn mòn của thép cacbon trong các đường ống, hiện tượng ăn mòn bề mặt thép cacbon được mô tả như trong Hình 1. Hiện tượng ăn mòn bề mặt thép cacbon.
Khi loại bỏ 1 trong bốn điều kiện kể trên thì sẽ không xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa, do đó, đây cũng là cơ sở chính để phát triển các phương pháp giảm thiểu ăn mòn. Các phương pháp chống ăn mòn 1. Sử dụng yếu tố hợp kim Giống như thép cacbon khi thêm thành phần khối lượng cacbon sẽ làm thay đổi các tính chất để phù hợp với các ứng dụng cụ thể thì phương pháp sử dụng yếu tố hợp kim cũng tương tự như vậy, khi thêm một hay nhiều nguyên tố vào thành phần của vật liệu 5 do an Hình 1. Mô tả ảnh hưởng của việc thay đổi thành phần khối lượng crôm đến khả năng chống ăn mòn cũng như là sự thay đổi hình thái lớp ôxit của hợp kim Fe - Cr bị ôxy hóa ở 1000 oC.
sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn [8-11]. Một trong những nguyên tố được sử dụng rộng rãi nhất là crôm (Cr).5 mô tả ảnh hưởng của việc thay đổi thành phần khối lượng crôm đến khả năng chống ăn mòn cũng như là sự thay đổi hình thái lớp ôxit của hợp kim Fe - Cr bị ôxy hóa ở 1000 oC, tốc độ ôxy hóa giảm mạnh khi crôm tăng lên 20 wt.% và crôm ôxit tăng cho đến khi chúng chiếm ưu thế trong màng ôxit. Tác dụng tương tự cũng sẽ xảy ra với hợp kim của niken và coban khi được sử dụng ở nhiệt độ cao. Khi trên 1000 οC, Co2O3 bắt đầu bị phá hủy và bị phá hủy cực mạnh ở khoảng 1200 oC, nếu ôxit không thể được bổ sung đầy đủ từ hợp kim sẽ xuất hiện ăn mòn li khai.
Hiện nay một số hợp kim Fe - Cr đơn giản ví dụ như thép không gỉ 400 đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, khó khăn chính là khả năng chống rão kém của cấu trúc lập phương tâm khối của sắt ở nhiệt độ cao, hơn nữa các loại thép này rất 6 do an khó hàn cho dù nhiều cải tiến trong luyện kim và các quy trình này đã được thực hiện gần đây [7]. Cán thép Cán là một quá trình quan trọng trong gia công kim loại, một trong số các kĩ thuật cán có thể giúp cải thiện sức mạnh hay định hướng hạt cần thiết để phục vụ các ứng dụng khác nhau của thép, đặc biệt phương pháp này còn có khả năng giảm thiểu đáng kể hiện tượng ăn mòn. Quy trình cán thép cơ bản liên quan đến việc đưa kim loại qua một cặp cuộn nặng để tạo cho kim loại hình dạng và độ dày mong muốn.
Có hai loại cán thép chính bao gồm cán nóng và cán nguội. Như tên gọi của chúng, sự khác biệt giữa hai loại phụ thuộc vào nhiệt độ của kim loại tại thời điểm cán [12]. Cán nóng là một quá trình cán trong đó kim loại được nung nóng trên nhiệt độ kết tinh, ở nhiệt độ này sự biến dạng sẽ cần ít áp lực hơn so với ở trạng thái nguội. Quá trình này được sử dụng để tạo ra các hình dạng với kích thước hình học và tính chất vật liệu mong muốn trong khi vẫn duy trì cùng một thể tích kim loại.
Kim loại nóng được truyền giữa hai cuộn để làm phẳng, kéo dài, giảm diện tích mặt cắt ngang và thu được độ dày đồng đều. Cấu trúc hạt ban đầu không đồng đều của kim loại bao gồm các hạt lớn phát triển theo hướng hóa rắn, điều này thường làm cho kim loại giòn do các ranh giới hạt yếu và có thể chứa các khuyết tật như trệch mạng, độ xốp gây ra bởi khí và thành phần lạ như ôxit kim loại. Cán nóng phá vỡ các cấu trúc hạt và phá hủy các ranh giới, tạo ra sự hình thành các cấu trúc mới với các ranh giới hạt ít khuyết tật hơn ban đầu và cấu trúc hạt đồng nhất. Thép cán nóng là sản phẩm phổ biến nhất của quá trình cán nóng và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp kim loại, làm sản phẩm cuối cùng hoặc làm nguyên liệu cho các quá trình tiếp theo.
Cán nóng giúp cho thép có khả năng tăng cường chống ăn mòn bởi vì có thể định hướng hạt theo hướng mong muốn giúp cho bề mặt kim loại có năng lượng bề mặt thấp góp phần giảm đi sự ăn mòn bề mặt thép. Ngoài ra, sự hình thành lớp ôxit trên bề mặt trong quá trình nung nóng cũng góp phần đáng kể trong việc giảm thiểu ăn mòn của thép. Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhiều hạn chế như giá thành của các trang thiết bị là rất đắt, bề mặt của thép sau khi cán có độ hoàn thiện không cao nên khó sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu có độ thẩm mỹ cao [12-14]. Cán nguội được thực hiện ở nhiệt độ phòng, có nghĩa là thép dưới nhiệt độ kết tinh.
Vì thép sẽ không dễ uốn nên kỹ thuật này có thể yêu cầu các máy móc mạnh hơn và chính xác hơn vì thép sẽ không thay đổi hình dạng và hướng của nó khi làm mát. Sản phẩm của thép cán nguội sẽ có điểm biến dạng cao hơn, bề mặt và các góc cạnh được hoàn thiện tốt hơn, đặc biệt hơn bề mặt được loại bỏ các điểm không hoàn hảo góp phần giảm sự ăn mòn trên bề mặt. Tuy nhiên, nhược điểm của thép cán nguội là chi 7 do an phí của các máy móc cao dẫn đến tăng giá thành thép, nó chỉ giới hạn ở một vài hình dạng và các biến thể của chúng như hình vuông, tròn và phẳng [12,15-17]. Lớp phủ Kỹ thuật này sẽ cung cấp một lớp phủ vật lí lên bề mặt kim loại muốn bảo vệ thường sẽ là ở bề mặt phía bên ngoài của đường ống, lớp phủ này sẽ ngăn chặn các tác nhân ăn mòn tiếp xúc với bề mặt kim loại.
Có 2 cách phủ chính là sơn và mạ, phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện, rẻ tiền và có tính thẩm mỹ cao. Mặt khác khi lớp phủ bị trầy xước thì kim loại ở trong sẽ bị ăn mòn nhanh hơn, ngoài ra chi phí bảo trì cũng rất lớn nếu áp dụng trên hệ thống có quy mô lớn [18].