Ăn mòn thép: 7 Những điều quan trọng bạn phải hiểu

Thép là một trong những vật liệu kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng, chế tạo, vận tải, và cơ sở hạ tầng. Sự phổ biến của nó đến từ sự kết hợp sức mạnh, tính linh hoạt, và hiệu quả về mặt chi phí mà ít vật liệu nào có thể sánh được.

Từ khung kết cấu và cầu đến máy móc và đường ống, thép tiếp tục đóng vai trò là xương sống của ngành công nghiệp hiện đại.

Nhưng thép không tránh khỏi sự ăn mòn. Trong thực tế, ăn mòn là một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định một bộ phận thép có thể duy trì an toàn trong bao lâu, chức năng, và kinh tế trong dịch vụ.

Sự hiểu biết rõ ràng về ăn mòn là điều cần thiết đối với các kỹ sư, người chế tạo, nhà thầu, và người quản lý tài sản như nhau.

Bạn càng hiểu rõ thép bị ăn mòn như thế nào, bạn càng có thể chọn đúng lớp, hệ thống bảo vệ phù hợp, và chiến lược bảo trì phù hợp.

Dưới đây là bảy điểm chính mà mọi người sử dụng thép nên biết.

1. Thép không chống ăn mòn một cách tự nhiên

Đơn giản thép cacbon không phải là vật liệu chống ăn mòn. Thành phần chính của nó là sắt, và sắt phản ứng dễ dàng với oxy và độ ẩm.

Khi tiếp xúc với không khí, thép bắt đầu bị oxy hóa và hình thành rỉ sét, chủ yếu bao gồm các oxit sắt và hydroxit ngậm nước, bao gồm oxit sắt ngậm nước (Fe2O3⋅nH2O), sắt oxyhydroxide (FeO(Ồ)) và hydroxit sắt (Fe(Ồ)3).

Không giống như màng oxit ổn định hình thành trên một số kim loại, rỉ sét xốp, yếu đuối, và không bảo vệ.

Nó không bịt kín bề mặt. Thay vì, nó cho phép oxy và nước tiếp tục tiếp cận với kim loại bên dưới.

Kết quả là, sự ăn mòn tiếp tục lan rộng, để lộ nhiều thép mới hơn và tăng tốc độ hao hụt vật liệu theo thời gian.

Đây là lý do tại sao thép không được bảo vệ không thể được cho là vẫn bền trong môi trường ngoài trời hoặc ẩm ướt.

Nếu không có lớp phủ thích hợp hoặc chiến lược kiểm soát ăn mòn, ăn mòn không phải là một khả năng; đó là kết quả tất nhiên.

2. Hợp kim có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn

Tại sao thép trơn dễ bị tổn thương

Thép cơ bản chủ yếu là sắt, và sắt hoạt động hóa học khi có oxy và độ ẩm. Điều đó có nghĩa là thép không hợp kim hoặc thép hợp kim nhẹ không có lớp bảo vệ chống ăn mòn tích hợp.

Một khi màng bề mặt bị phá vỡ, Sự ăn mòn có thể tiếp tục tiến triển do lớp gỉ hình thành trên thép thông thường bị lỏng lẻo, xốp, và không thể cách ly chất nền với môi trường.

Đây là lý do cơ bản tại sao thiết kế hợp kim lại quan trọng đến vậy trong kỹ thuật thép. Khả năng chống ăn mòn không chỉ là vấn đề bề mặt; nó bắt đầu với tính chất hóa học bên trong của kim loại.

Hợp kim thay đổi hành vi của thép như thế nào

Bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim đã chọn, thép có thể được chuyển đổi từ vật liệu dễ bị ăn mòn thành vật liệu chống ăn mòn.

Ý tưởng chính là các yếu tố nhất định thúc đẩy sự hình thành màng bề mặt ổn định hơn, cải thiện sức đề kháng của thép đối với các phương tiện truyền thông tích cực, hoặc làm chậm các phản ứng điện hóa gây mất kim loại.

Hợp kim không loại bỏ sự ăn mòn trong mọi môi trường, nhưng nó có thể chuyển thép từ một vật liệu cần được bảo vệ nghiêm ngặt sang một vật liệu có thể tồn tại lâu dài với ít bảo trì hơn nhiều.

crom: nền tảng của thép không gỉ

Crom là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất khi mục tiêu chống ăn mòn là.

Khi có đủ crom trong thép, nó phản ứng với oxy để tạo thành một lớp rất mỏng, dày đặc, và màng oxit ổn định trên bề mặt.

Bộ phim thụ động này là lý do cốt lõi thép không gỉ chống rỉ sét rất hiệu quả.

Bộ phim không chỉ là rào cản. Nó cũng tự sửa chữa. Nếu bề mặt bị trầy xước hoặc hư hỏng, crom có ​​thể nhanh chóng phản ứng trở lại với oxy và xây dựng lại lớp bảo vệ.

Hành vi tự phục hồi này là điều làm cho thép không gỉ về cơ bản khác với thép cacbon đang sử dụng..

Niken: cải thiện sự ổn định và độ dẻo dai

Niken thường được thêm vào thép không gỉ để ổn định cấu trúc austenit và cải thiện độ dẻo dai tổng thể, độ dẻo, và hành vi ăn mòn.

Trong nhiều loại không gỉ, niken giúp vật liệu ổn định trong nhiều môi trường và cải thiện hiệu suất trong quá trình tạo hình, hàn, và dịch vụ nhiệt độ thấp.

Niken không thay thế được vai trò của crom. Thay vì, nó tăng cường hệ thống chống ăn mòn tổng thể bằng cách giúp thép duy trì cấu trúc vi mô thuận lợi hơn.

Molypden: tăng cường sức đề kháng trong clorua

Molypden đặc biệt có giá trị trong môi trường chứa clorua như khí quyển biển, tiếp xúc với nước biển, xử lý hóa chất, và môi trường công nghiệp giàu muối.

Nó giúp thép không gỉ chống rỗ và ăn mòn kẽ hở, là một trong những dạng ăn mòn nguy hiểm nhất vì chúng có thể phát triển cục bộ và xâm nhập sâu mà ít có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng..

Đó là lý do tại sao các loại mang molypden thường được lựa chọn khi thép không gỉ thông thường là không đủ. Trong thực tế, yếu tố này thường tạo ra sự khác biệt giữa dịch vụ được chấp nhận và dịch vụ không đáng tin cậy trong môi trường khắc nghiệt..

Các nguyên tố hợp kim hữu ích khác

Các nguyên tố hợp kim khác cũng góp phần chống ăn mòn và hiệu suất sử dụng:

Mangan có thể hỗ trợ cân bằng hợp kim và giúp thay thế niken ở một số loại.

Nitơ có thể cải thiện sức mạnh và tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ ở một số loại thép không gỉ.

Silicon có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

đồng có thể cải thiện sức đề kháng trong một số môi trường ăn mòn nhẹ và được sử dụng trong một số loại đặc biệt.

Mỗi yếu tố đóng một vai trò khác nhau, nhưng ý tưởng rộng hơn thì giống nhau: khả năng chống ăn mòn được thiết kế, không phải ngẫu nhiên.

Hợp kim cải thiện, nhưng không làm cho thép trở nên bất khả chiến bại

Ngay cả thép không gỉ hợp kim cao cũng có giới hạn. Axit mạnh, nồng độ clorua cao, điều kiện kẽ hở, hoàn thiện bề mặt kém, và các vùng hàn chịu ảnh hưởng nhiệt đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.

Hợp kim cải thiện sức đề kháng, đôi khi đột ngột, nhưng môi trường vẫn kiểm soát kết quả cuối cùng.

Đó là lý do tại sao việc lựa chọn vật liệu phải luôn phù hợp với điều kiện sử dụng.

Loại hoạt động tốt trong nhà có thể không đủ trong nước biển, và lớp hoạt động trong nước biển vẫn có thể bị hỏng trong hệ thống có tính axit mạnh hoặc được bảo trì kém.

3. Môi trường giàu clorua đặc biệt nguy hiểm

Một trong những môi trường có hại nhất đối với thép là tiếp xúc với clorua.

Xịt muối, nước biển, muối làm tan băng, và một số chất lỏng quy trình công nghiệp nhất định đều có thể tấn công màng oxit bảo vệ và gây ra sự ăn mòn cục bộ.

Các ion clorua đặc biệt nguy hiểm vì chúng cản trở quá trình thụ động và có thể thúc đẩy sự ăn mòn rỗ và kẽ hở..

Thay vì gây ra sự trơn tru, tổn thất kim loại đồng đều, clorua thường tạo ra lượng nhỏ, các vị trí ăn mòn sâu khó phát hiện hơn và nguy hiểm hơn đối với tính toàn vẹn của cấu trúc.

Đây là lý do tại sao thép không gỉ thông thường có thể gặp khó khăn trong dịch vụ hàng hải hoặc ven biển, trong khi các loại chứa molypden như 316 thường được chọn để kháng clorua tốt hơn.

Trong điều kiện rất khắc nghiệt, ngay cả thép không gỉ cũng phải được kết hợp với lớp phủ phù hợp, chi tiết thiết kế, và kế hoạch bảo trì.

4. Các khu vực hàn thường dễ bị tổn thương nhất

Mối hàn hiếm khi giống với kim loại cơ bản xung quanh nó. Hàn tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt với cấu trúc vi mô bị thay đổi, ứng suất dư, và đôi khi giảm khả năng chống ăn mòn.

Bằng thép không gỉ, một vấn đề kinh điển là sự nhạy cảm, nơi các cacbua crom có ​​thể hình thành gần các ranh giới hạt và làm giảm lượng crom có ​​sẵn cho quá trình thụ động.

Điều này có thể làm cho vùng hàn dễ bị ăn mòn giữa các hạt hoặc bị nứt ăn mòn do ứng suất., đặc biệt nếu nhiệt đầu vào quá cao hoặc sử dụng sai vật liệu độn.

Ngay cả khi mối hàn rất bền, hành vi ăn mòn cục bộ có thể yếu hơn dự kiến.

Đó là lý do vì sao hàn inox không chỉ là công việc nối. Đây là một quá trình luyện kim được kiểm soát và phải xem xét việc lựa chọn chất độn, Đầu vào nhiệt, làm sạch sau hàn, Và, nơi cần thiết, xử lý sau hàn.

5. Ô nhiễm từ sắt thông thường có thể làm hỏng thép không gỉ

Thép không gỉ phải luôn sạch nếu muốn hoạt động như dự định. Liên hệ với các công cụ thép carbon thông thường, Các hạt sắt, hoặc bề mặt làm việc bị ô nhiễm có thể đưa sắt tự do lên bề mặt không gỉ.

Sự ô nhiễm đó có thể phá vỡ màng thụ động và tạo ra các vết rỉ sét cục bộ hoặc các khu vực dễ bị ăn mòn.

Điều này không giống như sự ăn mòn điện giữa hai kim loại khác nhau; đó là một vấn đề ô nhiễm.

Ngay cả khi tiếp xúc trong thời gian ngắn với dụng cụ bẩn hoặc bụi mài thép cũng có thể để lại các hạt bám trên bề mặt.

Nếu những hạt đó bị oxy hóa, họ làm cho thép không gỉ có vẻ như đang bị ăn mòn, mặc dù vấn đề bắt đầu từ ô nhiễm.

Vì lý do đó, chế tạo không gỉ đòi hỏi kỷ luật cửa hàng nghiêm ngặt. Công cụ chuyên dụng, khu vực làm việc sạch sẽ, và làm sạch bề mặt thích hợp không phải là tùy chọn; chúng là một phần của việc kiểm soát ăn mòn.

6. Ăn mòn đồng đều thường ít nguy hiểm hơn tấn công cục bộ

Không phải tất cả sự ăn mòn đều diễn ra theo cùng một cách. Ăn mòn đồng đều loại bỏ vật liệu ít nhiều đều trên bề mặt, thường gây khó chịu về mặt thị giác nhưng tương đối có thể dự đoán được.

Vì tổn thương lan rộng, nó dễ dàng hơn để kiểm tra, đo lường, và quản lý.

Ngược lại, ăn mòn cục bộ như ăn mòn rỗ hoặc kẽ hở có thể nghiêm trọng hơn nhiều.

Nó có thể xuất hiện nhỏ trên bề mặt trong khi tạo ra sự thâm nhập sâu bên dưới bề mặt.

Trong các ứng dụng kết cấu hoặc chịu áp lực, loại thiệt hại tiềm ẩn đó có thể dẫn đến thất bại đột ngột.

Điều này có nghĩa là chỉ vẻ ngoài thôi thì không đủ để đánh giá rủi ro.

Bề mặt rỉ sét có thể vẫn còn thời gian nếu sự ăn mòn diễn ra đồng đều và được giám sát, trong khi một thành phần không gỉ trông sạch sẽ vẫn có thể bị tấn công cục bộ tiềm ẩn nếu môi trường khắc nghiệt và cấp độ được chọn kém.

7. Thép có thể được bảo vệ bằng nhiều hệ thống kiểm soát ăn mòn

Kiểm soát ăn mòn là một hệ thống, không một sản phẩm nào

Ăn mòn thép không được quản lý bằng một giải pháp phổ quát.

Trong thực tế, khả năng chống ăn mòn đạt được bằng cách kết hợp lựa chọn vật liệu, Bảo vệ bề mặt, thiết kế chi tiết, cách ly môi trường, và chiến lược bảo trì.

Đó là lý do tại sao thép vẫn là vật liệu kỹ thuật được sử dụng rộng rãi: mặc dù nó có thể dễ dàng bị ăn mòn, nó cũng có thể được bảo vệ hiệu quả bằng nhiều cách khác nhau.

Ý tưởng quan trọng nhất là việc bảo vệ chống ăn mòn phải phù hợp với môi trường sử dụng.

Đường ống bị chôn vùi, một nền tảng hàng hải, khung máy trong nhà, và bể chế biến thực phẩm đều cần những chiến lược khác nhau. Những gì hiệu quả với ứng dụng này có thể không hiệu quả hoặc thậm chí không phù hợp với ứng dụng khác.

Hệ thống sơn: phòng thủ đầu tiên và phổ biến nhất

Hệ thống phủ là cách phổ biến nhất để bảo vệ thép cacbon. Mục đích của chúng là tách bề mặt thép khỏi oxy, độ ẩm, muối, và hóa chất.

Các tuyến phủ điển hình bao gồm:

Bảo vệ hy sinh: sử dụng kim loại hoạt động mạnh hơn để bảo vệ thép

Một trong những phương pháp kiểm soát ăn mòn mạnh mẽ nhất đối với thép là bảo vệ hy sinh.

Trong cách tiếp cận này, một kim loại có tính phản ứng mạnh hơn được đặt tiếp xúc với thép nên kim loại bảo vệ bị ăn mòn trước tiên..

Ví dụ nổi tiếng nhất là kẽm. Kẽm hoạt động mạnh hơn sắt, vì vậy khi cả hai tiếp xúc trong môi trường ăn mòn, kẽm có xu hướng ăn mòn tốt và bảo vệ nền thép.

Đây là nguyên tắc đằng sau việc mạ kẽm và nhiều hệ thống bảo vệ dựa trên kẽm.

Bảo vệ hy sinh đặc biệt có giá trị trong môi trường ngoài trời vì nó tiếp tục hoạt động ngay cả khi lớp phủ bị trầy xước hoặc hư hỏng. Điều đó làm cho nó bền hơn so với lớp phủ hàng rào trang trí thuần túy trong nhiều điều kiện hiện trường.

Bảo vệ catốt: cần thiết cho thép bị chôn và chìm

Đối với đường ống ngầm, xe tăng, Cấu trúc biển, và các bộ phận chìm trong nước, Bảo vệ catốt thường được sử dụng.

Phương pháp này làm thay đổi đặc tính điện hóa của thép để bản thân thép trở thành cực âm được bảo vệ trong mạch ăn mòn..

Có hai hình thức chính:

Bảo vệ catốt anode hy sinh

Một kim loại hoạt động mạnh hơn như kẽm, magie, hoặc nhôm được gắn vào kết cấu thép. Cực dương bị ăn mòn thay vì thép.

Bảo vệ catốt dòng điện cưỡng bức

Một nguồn điện bên ngoài truyền dòng điện bảo vệ vào cấu trúc, làm cho nó trở thành catốt và ngăn chặn sự ăn mòn.

Bảo vệ cathode đặc biệt hiệu quả đối với các kết cấu lớn mà chỉ lớp phủ thôi là chưa đủ.

Trong nhiều hệ thống, nó được sử dụng cùng với lớp phủ, vì lớp phủ làm giảm nhu cầu dòng điện và hệ thống catốt bảo vệ mọi khu vực tiếp xúc.

hợp kim: xây dựng điện trở vào chính kim loại

Một cách kiểm soát ăn mòn khác là sử dụng hợp kim vốn có khả năng chịu lực cao hơn thép cacbon thông thường..

Thép không gỉ là ví dụ cổ điển, nhưng thép chịu thời tiết và các loại hợp kim thấp khác cũng cho thấy thành phần có thể thay đổi hành vi ăn mòn như thế nào.

Hợp kim có tác dụng mạnh mẽ vì nó không chỉ bảo vệ bề mặt; nó tự thay đổi vật liệu. Bằng thép không gỉ, crom tạo màng thụ động chống rỉ sét.

Ở các họ thép khác, bổ sung được lựa chọn có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa, duy trì sức mạnh, hoặc hành vi trong môi trường cụ thể.

Điều này làm cho việc hợp kim hóa đặc biệt hữu ích khi việc bảo trì lặp đi lặp lại khó khăn hoặc khi bộ phận phải phục vụ trong môi trường đòi hỏi khắt khe trong thời gian dài..

8. Phần kết luận

Thép là một trong những vật liệu có khả năng thích ứng tốt nhất từng được phát triển, nhưng ăn mòn vẫn là hạn chế chính của nó trong nhiều môi trường. Thép carbon trơn dễ bị gỉ trừ khi được bảo vệ.

Thép không gỉ chống ăn mòn bằng cách tạo thành một lớp màng thụ động tự phục hồi, nhưng nó vẫn có thể thất bại trong điều kiện giàu clorua, tại các mối hàn, hoặc khi bị ô nhiễm bởi sắt thông thường.

Bài học quan trọng nhất là ăn mòn không phải là vấn đề đơn lẻ chỉ với một giải pháp duy nhất. Đó là sự tương tác giữa vật liệu và môi trường.

Hiệu suất ăn mòn tốt đến từ sự lựa chọn hợp kim chính xác, thực hành chế tạo âm thanh, xử lý bề mặt thích hợp, và hệ thống bảo vệ phù hợp cho môi trường dịch vụ.

Cho các kỹ sư và nhà chế tạo, hiểu được bảy điểm này là sự khác biệt giữa việc lựa chọn loại thép chỉ hoạt động ngày nay và việc chọn loại thép hoạt động đáng tin cậy trong nhiều năm.

 

Câu hỏi thường gặp

Có phải tất cả thép đều bị rỉ sét?

Đúng, tất cả thép có thể bị ăn mòn trong điều kiện thích hợp. Tốc độ và kiểu ăn mòn phụ thuộc vào hợp kim và môi trường.

Thép không gỉ có chống gỉ không?

KHÔNG. Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn, không chống ăn mòn.

Tại sao inox bị gỉ sau khi hàn?

Bởi vì hàn có thể thay đổi cấu trúc vi mô, giảm lượng crom sẵn có ở vùng bị ảnh hưởng nhiệt, và tạo ra ứng suất dư.

Tại sao môi trường clorua làm hỏng thép không gỉ?

Các ion clorua có thể phá vỡ màng oxit bảo vệ và thúc đẩy sự ăn mòn cục bộ như tấn công rỗ và kẽ hở.

Cách dễ nhất để bảo vệ thép carbon là gì?

Sử dụng lớp phủ, mạ điện, hoặc hệ thống chống ăn mòn khác phù hợp với môi trường.