Nghiên cứu khả năng chịu ăn mòn trong môi trường khí quyển của hợp kim đồng – silic thay thế hợp kim đồng mỹ nghệ truyền thống có chứa chì và thiếc tại Việt Nam


Mở đầu:
Việt Nam chúng ta tự hào có lịch sử đúc đồng mỹ nghệ lâu đời, có bản sắc riêng từ các loại hình sản phẩm, cách thức nấu luyện đồng mỹ nghệ. Tuy nhiên công nghệ đúc đồng tại các làng nghề có tính truyền thống còn lạc hậu chưa có nhiều cải tiến, giá thành nguyên vật liệu còn cao các mác hợp kim đồng mỹ nghệ chưa tối ưu còn gây tác hại cho môi trường và sức khỏe con người. Các cơ sở đúc đồng mỹ nghệ lớn nổi tiếng trên cả nước như Công ty TNHH Cơ khí Đúc Tân Tiến, Công ty Cổ phần Sản xuất và Đầu tư phát triển Tâm Phát đều ở Ý Yên - Nam Định sử dụng các mác hợp kim mỹ nghệ truyền thống chứa hàm lượng thiếc cao (kim loại đắt tiền) và hàm lượng chì cao.
Hiện nay trên thế giới nhiều cơ sở sản xuất muốn thay thế nhiều hơn hợp kim đồng đúc tượng, đồng mỹ nghệ bằng cách tìm kiếm các dạng chất khác thay thế thiếc. Kết quả những hợp kim mới với ít thiếc hơn hoặc hoàn toàn không chứa thiếc được ra đời. Khi Si được biết đến như nguyên tố mới để hợp kim hóa đồng trong Thế kỷ 20, Cu-Si đã trở thành hợp kim chủ yếu dùng cho đúc mỹ nghệ. Tại Canada, Newzeland, và Châu Âu ưa chuộng sử dụng hợp kim đồng Silic với hàm lượng Si từ 3 – 7 % để đúc tượng và sản xuất đồ đồng mỹ nghệ. Đồng Silic với ưu điểm dễ tan chảy cho phép kim loại nóng chảy và tất cả các vết nứt, kẽ nứt và các chi tiết nhỏ phức tạp thậm chí là dấu vân tay đã trở thành vật liệu để chế tạo các tác phẩm đồng mỹ nghệ. Tại Thái Lan đất nước có rất nhiều đền chùa, tượng phật đặc biệt là các tượng phật đặt ngoài trời ngày càng sử dụng hợp kim đồng Silic để thay thế hợp kim đồng thiếc do ưu điểm dễ chế tạo, màu sắc sản phẩm đẹp, độ bền ăn mòn trong môi trường khí quyển cao do khả năng chống oxy hóa và phong hóa tốt.
2. Thực nghiệm ưu điểm khả năng chống ăn mòn khí quyển của đồng mỹ nghệ hệ đồng - silic
Dụng cụ thí nghiệm gồm có:
Mẫu đồng kích thước 20 x 20 x 5 (mm3): được chuẩn bị bằng phương pháp cắt dây, sau đó mẫu được mài và đánh bóng lại để đảm bảo đạt được bề mặt phẳng đều
Hình 1. Mẫu đồng silic
Quy trình thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành theo quy trình sau:
 
Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm ăn mòn
 
Bảng 1. Thành phần hợp kim Cu-Si
Mẫu hợp kim số Thành phần các nguyên tố (% khối lượng)
Si Mn Zn Pb Cu
1 3,12 1,17 0,24 0,18 Còn lại
2 5,06 1,21 0,25 0,19 Còn lại
3 7,18 1,20 0,24 0,19 Còn lại
 
 
Thí nghiệm đo tốc độ ăn mòn hợp kim Cu-Si trong môi trường axit:
  • Bước 1: Ngâm mẫu trong dung dịch HCl 55% trong 2 phút
  • Bước 2: Ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 17% trong 2 phút
  • Bước 3: Nhúng mẫu vào dung dịch H2SO4 và Na2Cr2O7 trong 6-10 giây
Sau khi tẩy rửa, mẫu sẽ được bảo quản trong hộp hút ẩm một ngày để loại bỏ hết nước bám trên bề mặt mẫu trước khi tiến hành cân mẫu.
Tốc độ ăn mòn của các mẫu ở các thời điểm khác nhau được trình bày trong bảng 2.
 Bảng 2. Tốc độ ăn mòn của hợp kim trong dung dịch axit (g.m-2.năm-1)
Thời gian
(ngày)
Hàm lượng Si
3% 5% 7%
5 8455,83 8447,32 9022,80
10 7223,05 6001,82 6577,60
15 6362,15 5459,18 5144,88
20 4782,11 4489,20 4451,18
25 3965,60 3660,95 3962,08
30 3311,87 3199,63 3323,02
35 2886,54 2835,88 2874,90
40 2594,39 2608,99 2540,63
45 2306,33 2398,79 2279,70
 
Thí nghiệm đo tốc độ ăn mòn hợp kim Cu-Si trong môi trường muối:
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm ăn mòn trong môi trường muối
Mẫu Thời gian ngâm
10 ngày 70 ngày
3% Si
5% Si
7% Si
3. Kết quả và thảo luận
Kết quả thí nghiệm cho thấy hợp kim đồng mỹ nghệ hệ đồng silic có khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển tốt
Từ bảng trên, nhận thấy rằng tốc độ ăn mòn của các hợp kim trong dung dịch axit giảm trong suốt quá trình thí nghiệm. Trong giai đoạn đầu, tốc độ ăn mòn của các mẫu giảm mạnh. Sau 25 ngày, tốc độ ăn mòn của các mẫu dần dần ổn định hơn. Việc tốc độ ăn mòn giảm theo thời gian được giải thích dựa vào cơ chế ăn mòn của hợp kim đồng mỹ nghệ. Trong khoảng thời gian đầu, lớp ngoài cùng của hợp kim bị ăn mòn do tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly. Những vùng chứa nhiều nguyên tố Si, Zn, Pb có điện thế dương hơn so với Cu nên sẽ bị ăn mòn. Những sản phẩm ăn mòn không tan sẽ tạo thành lớp vảy trên bề mặt của hợp kim, còn những sản phẩm ăn mòn tan sẽ đi vào trong dung dịch điện ly. Do đó, trong thời gian đầu tốc độ ăn mòn lớn là do các nguyên tố này bị ăn mòn ngay khi hợp kim tiếp xúc với dung dịch điện ly. Sau khi các nguyên tố này bị ăn mòn thì sẽ để lại những hốc hoặc rãnh trên bề mặt hợp kim. Dung dịch điện ly sẽ theo các hốc, rãnh này tiến sâu vào bên trong bề mặt của hợp kim và do đó các lớp ở phía trong bề mặt tiếp tục bị ăn mòn. Tuy nhiên tốc độ ăn mòn của các lớp ở bên trong sẽ chậm hơn các lớp ở bên ngoài do càng vào sâu trong tâm thì dung dịch điện ly càng khó tuần hoàn do sự chênh lệch nồng độ các nguyên tố sẽ không cao. Đồng thời, sau một khoảng thời gian bị ôxy hóa thì trên bề mặt Cu sẽ tạo ra một lớp màng oxit bền vững. Chính lớp màng này có tác dụng cản trở sự thâm nhập của dung dịch điện ly vào bên trong tâm mẫu, do đó tốc độ ăn mòn của hợp kim sẽ giảm dần theo thời gian.
Điện thế của các mẫu giảm đều trong 70 ngày thí nghiệm. Không thể hiện rõ các giai đoạn như đường tốc độ ăn mòn trong cùng dung dịch. Kết hợp với những phân tích tốc độ ăn mòn trong dung dịch muối, hợp kim đồng Cu-Si bền ăn mòn trong dung dịch muối
4. Kết luận
Nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng Si tới khả năng chịu ăn mòn trong môi trường axit và muối cho thấy hàm lượng Si nhỏ hơn 5% cho khả năng chịu ăn mòn tốt hơn trong cả 2 môi trường muối và axit.
 

Đối tác
MO MIEN NAM
Vimluki
cie
Bộ Công thương
Doi tac 5