Quy Trình Tẩy Gỉ Và Thụ Động Hóa Làm Sạch Thép Không Gỉ

Trong ngành công nghiệp chế tạo và xử lý kim loại, quy trình tẩy gỉ và thụ động hóa thép không gỉ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch thép không gỉ, giúp nâng cao độ bền mà còn đảm bảo khả năng chống ăn mòn hiệu quả. 

Tuy nhiên, để đạt được một lớp thụ động hoàn hảo, quá trình này đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và sự kiểm soát chặt chẽ từng bước. Bài viết này, TKTG sẽ hướng dẫn chi tiết quy trình tẩy gỉ và thụ động hóa thép không gỉ, cung cấp cho bạn những kiến thức cần thiết để thực hiện hiệu quả và chính xác.

1. Chuẩn bị trước khi thụ động hóa 

Trước khi bắt đầu quá trình thụ động hóa làm sạch thép không gỉ, bề mặt thép cần được làm sạch cơ học và hóa học để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn dầu mỡ và các vết bẩn.

1.1. Làm sạch cơ học

Các bước làm sạch cơ học bao gồm loại bỏ lớp oxit, bụi bẩn hoặc tạp chất trên bề mặt. Việc này có thể được thực hiện bằng cách chà nhám hoặc sử dụng các thiết bị làm sạch chuyên dụng.

1.2. Loại bỏ dầu mỡ

Nếu dầu mỡ còn tồn tại trên bề mặt, quá trình thụ động hóa làm sạch thép không gỉ sẽ không đạt hiệu quả tối ưu. Các chất được sử dụng để loại bỏ dầu mỡ bao gồm:

• Dung dịch kiềm: Hiệu quả trong việc làm sạch dầu mỡ thông thường.
• Hóa chất nhũ hóa: Phù hợp cho các bề mặt khó làm sạch.
• Dung môi hữu cơ và hơi nước: Đặc biệt hiệu quả trong môi trường công nghiệp.

Lưu ý: Bước này không thể bị bỏ qua, vì dầu mỡ có thể làm giảm chất lượng màng thụ động.

2. Kiểm soát ion clorua (cl-) trong quá trình ngâm và rửa

2.1. Ảnh hưởng của ion Cl-

Ion clorua là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ăn mòn pitting (ăn mòn lỗ) và nứt ăn mòn do ứng suất trên thép không gỉ. Do đó, cần kiểm soát chặt chẽ nồng độ Cl- trong dung dịch ngâm và nước rửa.

2.2. Phương pháp kiểm soát Cl-

• Hạn chế sử dụng hóa chất chứa Cl- như axit hydrochloric hoặc các dung môi hữu cơ chứa clo để làm sạch thép không gỉ.
• Sử dụng nước deionized trong quá trình rửa cuối cùng để đảm bảo hàm lượng Cl- không vượt quá giới hạn. Ví dụ: Đối với các bình áp lực thép không gỉ trong ngành hóa dầu, hàm lượng Cl- không được vượt quá 25mg/L.
• Bổ sung hóa chất trung hòa: Nếu Cl- vượt quá giới hạn, có thể sử dụng sodium nitrate để điều chỉnh.

3. Kiểm soát quy trình ngâm thụ động hóa

3.1. Chọn dung dịch phù hợp

• Dung dịch HNO3: Hiệu quả trong việc loại bỏ sắt tự do và tạp chất kim loại.
• Dung dịch HNO3+HF: Được sử dụng khi cần loại bỏ lớp oxit dày hoặc sản phẩm ăn mòn cứng đầu. Hợp chất fluorine có thể thay thế HF để tăng tính an toàn.

3.2. Tỷ lệ và nhiệt độ ngâm

• Tỷ lệ HNO3:HF nên được duy trì ở mức 5:1.
• Nhiệt độ không vượt quá 49℃ để tránh bay hơi HF.

3.3. Thời gian ngâm và kiểm soát nồng độ

• Nồng độ axit và ion kim loại trong dung dịch cần được giám sát thường xuyên để tránh ăn mòn quá mức.
• Nồng độ ion titan không vượt quá 2%, vì sẽ gây ra ăn mòn lỗ nghiêm trọng.

Ngoài ra, dung dịch HNO3 nên kiểm soát trong phạm vi 20% – 50%. Vì theo các chuyên gia điện hóa, khi thụ động với HNO3 dưới 20% sẽ khiến quá trình làm sạch thép không gỉ xử lý không ổn định và gây ra tình trạng ăn mòn pitting. Tương tự với nồng độ HNO3 trên 50% sẽ dẫn đến chất lượng thụ động được xử lý quá mức passivation.

4. Xử lý thép không gỉ trong điều kiện nhạy cảm

4.1. Tác động của nhiệt độ và hàn

Thép không gỉ dễ bị nhạy cảm do xử lý nhiệt kém hoặc hàn. Khi sử dụng dung dịch HNO3+HF, nguy cơ ăn mòn giữa các hạt có thể xảy ra, gây hậu quả nghiêm trọng. Ví dụ như làm yếu liên kết giữa các hạt kim loại, khiến vật liệu dễ bị nứt, gãy hoặc biến dạng khi chịu tải trọng cơ học.

4.2. Biện pháp khắc phục

• Sử dụng thép không gỉ carbon cực thấp hoặc đã ổn định để giảm thiểu nguy cơ.
• Áp dụng các phương pháp thay thế như axit glycolic và axit formic để ngâm trong trường hợp thép không gỉ bị nhạy cảm.

5. Xử lý sau khi tẩy gỉ và thụ động hóa

5.1. Ngâm loại bỏ cặn acid

Sau khi thụ động hóa, bề mặt cần được ngâm trong dung dịch permanganate kiềm để loại bỏ hoàn toàn cặn acid. Quy trình này bao gồm: Ngâm trong dung dịch chứa 10% NaOH + 4% KMnO4 (ở nhiệt độ 71-82℃ trong 5-60 phút) -> Rửa sạch và làm khô để hoàn tất.

5.2. Loại bỏ vết bẩn

Nếu bề mặt vẫn còn vết bẩn, có thể xử lý bằng cách chà xát với dung dịch thụ động hóa mới hoặc axit nitric nồng độ cao hơn. Cuối cùng, sau khi các bộ phận thép không gỉ được tẩy gỉ và thụ động hóa, chúng cần được che phủ hoặc bọc lại bằng phim polyethylene để tránh tiếp xúc với kim loại và phi kim loại lạ.

6. Xử lý chất thải lỏng sau thụ động hóa

Chất thải sau khi thụ động hóa cần được xử lý theo quy định bảo vệ môi trường quốc gia. Nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Tùy vào nước nước chứa hoạt chất khác nhau mà việc xử lý chất thải sẽ có giải pháp riêng biệt, cụ thể như sau:

• Nước thải chứa fluor cần được xử lý bằng sữa vôi hoặc canxi clorua.
• Nước thải chứa crom cần thêm ferrous sulfate để khử.

Lưu ý: Dichromat là chất có tính oxi hóa mạnh. Vì vậy nên hạn chế sử dụng dichromat trong quá trình xử lý chất thải càng ít càng tốt.

Ngoài ra, trong quá trình xử lý chất thải sẽ dẫn đến hiện tượng giòn do hydro trong thép không gỉ martensitic. Điều này xảy ra khi các nguyên tử hydro xâm nhập vào cấu trúc thép trong quá trình tẩy gỉ, gây suy yếu cơ học, làm cho vật liệu dễ gãy hơn.

Để khử hydro, thép sẽ được đun nóng đến 200°C trong một khoảng thời gian nhất định. Phương pháp này giúp các nguyên tử hydro thoát ra khỏi cấu trúc vật liệu, khôi phục tính toàn vẹn cơ học và tránh hiện tượng giòn.

7. Kiểm tra chất lượng thụ động hóa

7.1. Kiểm tra chuẩn độ bằng đồng sulfat

• Chuẩn bị: 8g CuSO₄, 500mL H₂O, 2-3mL H₂SO₄
• Cách thực hiện: Dùng dung dịch CuSO4 nhỏ lên bề mặt mẫu thử. Nếu không xuất hiện kết tủa trong 6 phút, lớp thụ động hóa đạt yêu cầu. Ngược lại, nếu mẫu thử không xảy ra kết tủa, cho thấy thụ động hóa không đạt tiêu chuẩn.

7.2. Kiểm tra bằng kali ferricyanide

• Chuẩn bị: 2mL HCl, 1mL H₂SO₄, 1g K₃Fe(CN)₆, 97mL H₂O
• Cách thực hiện: Dùng dung dịch K3Fe(CN)6 để xác định số lượng vết xanh và thời gian xuất hiện. Từ đó đánh giá chất lượng lớp thụ động. Trong đó số lượng vết xanh chỉ ra mức độ không đồng đều của thụ động hóa. Còn thời gian xuất hiện vết xanh càng nhanh, chất lượng thụ động hóa càng thấp.

Lưu ý: Cả hai phương pháp này chỉ mang tính chất kiểm tra sơ bộ và yêu cầu thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác.

8. Ví dụ về ứng dụng trong thụ động hóa và xử lý bề mặt

8.1. Thụ động hóa chuỗi dài 

Khi thụ động động hóa chuỗi dài, đầu dưới tiếp xúc dung dịch nhiều hơn, phản ứng hóa học kéo dài hơn, dẫn đến lớp thụ động hóa tối màu hơn so với đầu trên. Do đó, dung dịch chảy từ đầu trên xuống, tạo sự không đồng đều trong lớp phủ.

Để hạn chế tình trạng sai màu này, khuyến nghị thực hiện theo giải pháp sau: 

• Thực hiện thụ động hóa theo chiều ngang với đầu dưới được cố định bằng móc.
• Tránh sử dụng anode trong thời gian quá lâu để hạn chế sai màu.

8.2. Thụ động các bộ phận chuỗi dài

hầu như tất cả bể thụ động hóa không chứa được toàn bộ bộ phận dài, gây khó khăn trong việc xử lý đồng đều. Vì vậy, bạn có thể giải quyết bằng những cách sau để đảm bảo lớp thụ động hóa đồng đều và tránh xuất hiện dấu nối:

• Chế tạo khung tạm từ gạch hoặc thanh gỗ, lót vải nhựa để chứa bộ phận.
• Bơm dung dịch thụ động hóa vào khung để thực hiện xử lý.

8.3. Xử lý bề mặt các bộ phận phẳng

Khi xử lý bề mặt các bộ phận phẳng, phần cạnh của bộ phận và dung dịch xử lý sẽ tiếp xúc nhiều hơn so với phần giữa khi dao động trong bể xử lý. Điều này dẫn đến sự không đồng đều về màu sắc của lớp xử lý. Để khắc phục vấn đề này, có thể sử dụng phương pháp dưới đây:

• Khuấy trộn dung dịch bằng không khí nén để cải thiện tính đồng nhất.
• Cân chỉnh phân bố dòng điện trong quá trình mạ để lớp xử lý đồng đều hơn.
• Che chắn phần cạnh nếu cần để tránh dòng điện quá mức làm thô lớp phủ.

8.4. Xử lý bề mặt các bộ phận mịn

Bề mặt thép không gỉ trên bề mặt mịn, dẫn đến dung dịch xử lý sẽ khó bám vào và dễ bị mất đi nhanh chóng. Vì vậy, cần kéo dài thời gian ngâm trong dung dịch và thời gian tiếp xúc với không khí trong quá trình xử lý. Nếu không, lớp xử lý trên bề mặt sẽ không đều và trông mỏng hơn.

8.5. Xử lý bề mặt ở khu vực dễ đọng nước

Cần tránh việc lấy dung dịch xử lý ra khỏi bộ phận quá sớm. Vì điều này có thể gây hư hại quá mức cho lớp xử lý, làm tiêu tốn dung dịch và gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc này còn ảnh hưởng đến chất lượng lớp xử lý ở những khu vực đó. Vì vậy, cần đảm bảo dung dịch được giữ lại đủ lâu để bảo vệ và duy trì chất lượng lớp xử lý tốt nhất ra khỏi bề mặt để giảm thiểu tổn hại và bảo vệ lớp xử lý ở khu vực này.

8.6. Xử lý bề mặt các chi tiết nhỏ

Tất cả các bộ phận trong chuỗi, khi được buộc chặt lại với nhau, có thể được xử lý đồng thời trong một giỏ nhựa. Phương pháp này giúp đảm bảo rằng các bộ phận không bị rơi ra khỏi giỏ trong quá trình xử lý do tác động của sự rung lắc hoặc dao động. Nếu các bộ phận bị rơi ra khỏi giỏ, chúng có thể rơi vào các rãnh hoặc khu vực không mong muốn. Gây gián đoạn quá trình và cần phải sửa chữa lại, làm tăng chi phí và thời gian xử lý. 

9. Kết Luận

Quy trình tẩy gỉ và thụ động hóa làm sạch thép không gỉ là một bước quan trọng để duy trì độ bền và tính chống ăn mòn của vật liệu. Với sự áp dụng đúng quy trình, thép không gỉ không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn có độ bền cao, giữ được độ sáng bóng và khả năng chống ăn mòn vượt trội. Điều này góp phần tăng cường hiệu quả sử dụng và tiết kiệm chi phí bảo trì trong quá trình vận hành.