Khả năng chống ăn mòn là gì? Các nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Khả năng chống ăn mòn (corrosion resistance) là khả năng của vật liệu hoặc hệ phủ bề mặt duy trì tính toàn vẹn cơ học và hóa học khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Quá trình ăn mòn bao gồm các phản ứng hóa học hoặc điện hóa dẫn đến mất mát vật liệu, hình thành sản phẩm ăn mòn và suy giảm tính năng sử dụng của kết cấu hoặc chi tiết.

Trong phạm vi vật liệu kim loại, khả năng chống ăn mòn thường được biểu diễn bằng tốc độ ăn mòn (corrosion rate) hoặc thời gian trung bình để xuất hiện tổn thương nghiêm trọng. Các vật liệu chống ăn mòn cao bao gồm thép không gỉ, hợp kim nhôm, titan và một số hợp kim đặc biệt có chứa niken, molybden và crôm.

Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào bản chất hóa học của vật liệu (tính thụ động, lớp oxit bảo vệ), đặc tính bề mặt (độ nhẵn, độ xốp, độ ẩm), và môi trường làm việc (độ pH, hàm lượng ion ăn mòn, nhiệt độ). Sự kết hợp phù hợp giữa vật liệu và lớp phủ cùng phương pháp xử lý bề mặt đóng vai trò then chốt trong thiết kế kết cấu bền bỉ với ăn mòn.

Cơ chế ăn mòn

Ăn mòn hóa học (chemical corrosion) xảy ra khi kim loại phản ứng trực tiếp với môi trường khô hoặc ẩm, tạo ra oxit, sulfua hoặc hydroxide. Ví dụ, sắt tác dụng với oxy và hơi nước sinh ra rỉ sét (Fe₂O₃·nH₂O), quá trình này điển hình trong môi trường có độ ẩm cao.

Ăn mòn điện hóa (electrochemical corrosion) là sự hình thành pin ăn mòn gồm cực âm (cathode) và cực dương (anode) trên cùng bề mặt kim loại đặt trong dung dịch điện ly. Tại cực anode xảy ra quá trình oxi hóa kim loại (M → Mⁿ⁺ + ne⁻), tại cực cathode là quá trình khử (O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O hoặc 2H⁺ + 2e⁻ → H₂).

• Ăn mòn khe kẽ (crevice corrosion): xảy ra trong kẽ hẹp, pH giảm mạnh và nồng độ ion Cl⁻ tăng cao.
• Ăn mòn ứng suất (stress corrosion cracking): kết hợp giữa ứng suất kéo và môi trường ăn mòn dẫn đến nứt gãy đứt gãy đột ngột.
• Ăn mòn lỗ rỗng (pitting corrosion): hình thành lỗ sâu cục bộ do phá hủy lớp thụ động, thường gặp ở inox trong môi trường chloride.

Nắm bắt đúng cơ chế ăn mòn giúp lựa chọn giải pháp vật liệu, lớp phủ và xử lý bề mặt phù hợp, từ đó kéo dài tuổi thọ kết cấu và giảm chi phí bảo trì.

Các yếu tố ảnh hưởng

Đặc tính môi trường bao gồm độ pH, nhiệt độ, hàm lượng oxi hòa tan và nồng độ ion ăn mòn (Cl⁻, SO₄²⁻, H₂S). Môi trường axit (pH < 7) gia tăng tốc độ ăn mòn tổng thể, trong khi môi trường kiềm (pH > 8) có thể làm vật liệu như nhôm và thép có lớp oxit bền hơn.

Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và điện hóa, do đó tốc độ ăn mòn tăng theo quy luật Arrhenius. Ví dụ, với mỗi 10 °C tăng thêm, tốc độ ăn mòn có thể tăng từ 2 đến 3 lần, tùy tính chất vật liệu và môi trường.

Đặc tính vật liệu như thành phần hợp kim, cấu trúc vi tinh, độ thụ động và ứng suất dư trong bề mặt cũng tác động mạnh. Hợp kim chứa crôm ≥ 12 % hình thành lớp Cr₂O₃ mỏng, bền, ngăn cản phản ứng oxy hóa; molybden cải thiện chống lỗ rỗng, nickel tăng tính dẻo dai và ổn định hóa lớp thụ động.

• Phương pháp gia công: đánh bóng, mài mòn, phay có thể làm phẳng bề mặt, giảm vị trí khởi phát ăn mòn.
• Xử lý nhiệt: ủ, tôi, tôi chân không ảnh hưởng đến kích thước hạt và phân bố pha, từ đó thay đổi khả năng thụ động.
• Ứng suất cơ học: nén, kéo, uốn tạo vết nứt nhỏ làm lớp thụ động dễ phá vỡ, đặc biệt trong ăn mòn ứng suất.

Công thức tính tốc độ ăn mòn

Tốc độ ăn mòn (CR – Corrosion Rate) thường tính theo đơn vị mm/năm hoặc mils per year (mpy). Công thức cơ bản:

$CR = \frac{K \times W}{A \times t \times \rho}$ trong đó:
K là hệ số chuyển đổi (mm·cm²·g⁻¹·h⁻¹)
W là khối lượng kim loại mất mát (g)
A là diện tích bề mặt tiếp xúc (cm²)
t là thời gian thử nghiệm (h)
ρ là khối lượng riêng của vật liệu (g/cm³)

Đơn vị CR	Hệ số K
mm/năm	8.76×10⁴
mpy (mils per year)	3.45×10⁶

Ví dụ, nếu mẫu thép mất 0,05 g trong 72 h trên diện tích 10 cm², khối lượng riêng 7,85 g/cm³, tốc độ ăn mòn mm/năm = (8.76×10⁴×0.05)/(10×72×7.85) ≈ 0.775 mm/năm.

Phương pháp đánh giá

Phương pháp ngâm mẫu (immersion test) là kỹ thuật cơ bản đánh giá tốc độ ăn mòn bằng cách ngâm mẫu kim loại trong dung dịch mô phỏng môi trường thực tế trong một khoảng thời gian xác định. Sau quá trình ngâm, khối lượng mẫu được cân lại để tính CR (Corrosion Rate) theo công thức tiêu chuẩn ASTM G31 .

Phép đo điện hóa gồm hai kỹ thuật chính: trắc đồ cực bán (Linear Polarization Resistance – LPR) và đo trở kháng điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy – EIS). LPR cho giá trị trực tiếp của Rp (Polarization Resistance), nghịch đảo tỉ lệ thuận với tốc độ ăn mòn, trong khi EIS phân tích đáp ứng pha và trở kháng qua tần số giúp mô hình hoá cơ chế ăn mòn.

• LPR: đo nhanh, phù hợp thí nghiệm hiện trường, kết quả thể hiện theo mm/năm.
• EIS: cung cấp cơ chế ăn mòn, xác định lớp thụ động và khả năng bảo vệ của lớp phủ.

Quan sát bề mặt bằng hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phân tích phổ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần sản phẩm ăn mòn, tính cấu trúc lỗ rỗng và chiều sâu nứt. Kỹ thuật này cho phép đánh giá cơ chế ăn mòn khe kẽ, ứng suất và vi sinh (MIC) .

Vật liệu và lớp phủ chống ăn mòn

Thép không gỉ (stainless steel) loại 304, 316 chứa ≥ 12% Cr hình thành lớp Cr₂O₃ thụ động, chịu được chloride đến 0,1 M. Loại 316 bổ sung Mo giúp tăng khả năng chống lỗ rỗng và nứt khe kẽ.

Hợp kim nhôm (Al–Mg, Al–Zn–Mg) phủ anodized tạo lớp Al₂O₃ dày 5–20 µm, độ bền ăn mòn tăng gấp 2–3 lần so với nhôm nguyên chất. Nhôm hàng hải (marine grade) như 5xxx và 6xxx thường ứng dụng trong môi trường biển .

• Lớp phủ epoxy: chống thấm, bám dính tốt, ứng dụng trong bể chứa và đường ống hóa chất.
• Sơn kẽm (galvanizing): mạ kẽm điện phân hoặc nhúng nóng, bảo vệ thép bằng ăn mòn ưu tiên của kẽm.
• Mạ niken và crom: mạ điện phân tạo lớp bảo vệ dày 1–5 µm, tăng độ cứng và chống mài mòn cơ học.

Ceramic coating (ALD, PVD) và phủ graphene siêu mỏng đang là hướng nghiên cứu nhằm tạo lớp chắn ion và oxy hóa cực kỳ mỏng nhưng bền cơ học và chịu nhiệt cao .

Tiêu chuẩn và quy định

ASTM G31 – “Standard Guide for Laboratory Immersion Corrosion Testing” quy định quy trình, điều kiện ngâm mẫu và phương pháp tính CR. ASTM G102 hướng dẫn tính toán CRS (Corrosion Rate Speciation) trong các môi trường hỗn hợp.

ISO 12944 – “Paints and varnishes — Corrosion protection of steel structures by protective paint systems” phân loại môi trường (C1–C5), yêu cầu hệ sơn và thời gian bảo vệ tương ứng. ISO 8044 định nghĩa khái niệm và thuật ngữ chung về ăn mòn.

• NACE TM0177: thử nghiệm MIC (Microbiologically Influenced Corrosion) cho dầu khí và công nghiệp nước.
• EN 10290: yêu cầu kiểm tra ăn mòn trong dầu nhờn thủy lực và dầu cách điện.
• BS 3900-Part F9: thí nghiệm ăn mòn ngâm muối (salt spray) đánh giá hệ phủ.

Quy định môi trường làm việc (OSHA, EU Directive) giới hạn nồng độ ion ăn mòn trong khí quyển công nghiệp, bảo hộ lao động và kiểm soát tác nhân ăn mòn trong nhà máy .

Ứng dụng thực tiễn

Trong công nghiệp dầu khí, đường ống vận chuyển dầu lửa và khí đốt gặp phải H₂S và CO₂ trong môi trường ẩm, dẫn đến ăn mòn ứng suất và lỗ rỗng. Việc lựa chọn 316L hoặc duplex stainless steel cùng inhibitor chuyển hoá (scavenger) giúp kéo dài tuổi thọ vận hành.

Công trình xây dựng biển như cầu cảng, kết cấu giàn khoan, đê chắn sóng sử dụng thép mạ kẽm dày và bê tông siêu chịu mặn, kết hợp phủ epoxy để chống ăn mòn do nước biển và khí quyển mặn.

Thiết bị y sinh như implant chỉnh hình, van tim, ốc vít xương làm bằng titan (Ti–6Al–4V) nhờ khả năng tương hợp sinh học và chống ăn mòn trong dịch cơ thể giàu chloride và protein. Titan cũng có lớp TiO₂ thụ động tự tái tạo khi bị tổn thương.

Chiến lược cải thiện

Thiết kế hợp kim mới: tăng hàm lượng Cr, Mo, Ni và thêm Si, Cu để cải thiện khả năng thụ động và chống crevice, SCC. Alloy 2205 (duplex) kết hợp pha ferrite và austenite cho độ bền và chống ăn mòn ưu việt.

Tối ưu xử lý bề mặt: đánh bóng điện hóa (electropolishing) giảm R_a từ 0,5 µm xuống 0,1 µm, ngăn ngừa vết nứt vi mô và ổ ăn mòn khe kẽ. Xử lý plasma hoặc ion nitriding tạo lớp cứng bề mặt, cải thiện khả năng chịu mài mòn và ăn mòn.

• Chất ức chế ăn mòn: imidazol, benzotriazole cho đồng và hợp kim; amin trietylen glycol cho thép carbon.
• Điện hóa phủ mạ: micro-arc oxidation (MAO) cho hợp kim nhôm tạo lớp ceramic dày 10–20 µm.

Hướng nghiên cứu tương lai

Phủ graphene và vật liệu 2D khác (MoS₂, h-BN) bằng kỹ thuật CVD tạo lớp chắn nguyên tử, khả năng cách ly ion và oxy tốt, hứa hẹn giảm tốc độ ăn mòn xuống < 0,01 mm/năm.

Cảm biến điện hóa in situ sử dụng micro-electrode array đo tín hiệu EIS thời gian thực trên bề mặt kết cấu, kết nối IoT truyền dữ liệu cảnh báo khi tốc độ ăn mòn vượt ngưỡng cho phép .

Công nghệ machine learning phân tích dữ liệu thử nghiệm và môi trường thực tế để dự báo điểm phát sinh ăn mòn và tự động điều chỉnh inhibitor hoặc điều kiện hoạt động nhằm tối ưu bảo trì và giảm chi phí vận hành.

Tài liệu tham khảo

• ASTM International. “ASTM G31 – Standard Guide for Laboratory Immersion Corrosion Testing.” astm.org
• ISO. “ISO 12944: Paints and varnishes — Corrosion protection of steel structures by protective paint systems.” iso.org
• NACE International. “Corrosion Basics.” nace.org
• Uhlig, H.H., Revie, R.W. “Corrosion and Corrosion Control.” Wiley, 2011.
• OSHA. “1910.119 Process safety management of highly hazardous chemicals.” osha.gov
• IEEE Xplore. “In-situ Electrochemical Sensors for Corrosion Monitoring.” ieeexplore.ieee.org