Mạ kẽm nhúng nóng là một quá trình áp dụng một lớp phủ bằng kẽm lên bề mặt kim loại nền sắt thép, bằng cách nhúng chi tiết vào bể kẽm nóng chảy. Phương pháp công nghệ này rất đơn giản và tính đơn giản của quá trình là chiếm ưu thế lớn so với các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn khác.
Lịch sử mạ kẽm nhúng nóng
Năm 1742 khi một nhà hoá học người Pháp tên là Melouin, trong một lần trình bày tại Viện hàn lâm Pháp, đã miêu tả phương án bảo vệ bề mặt chi tiết sắt thép bằng cách nhúng nó vào bể kẽm nóng chảy. Năm 1836, Sorel là một nhà hoá học người Pháp đã nhận bằng sáng chế về phương pháp bảo vệ bề mặt sắt thép bởi lớp phủ kẽm bằng cách nhúng chi tiết vào bể kẽm nóng chảy sau khi đã xử lý bề mặt chi tiết bởi axit sulfuric 9% và nhúng qua Amonium Chloride. Một bằng sáng chế khác của nước Anh cũng đã được công nhận vào năm 1837. Từ năm 1850, mỗi năm nền công nghiệp mạ nhúng kẽm nóng ở Anh dùng 10.000 tấn kẽm cho việc bảo vệ sắt thép. Mạ nhúng kẽm nóng để bảo về bề mặt sắt thép đã được ứng dụng rộng rãi hầu hết trong mọi nghành của nền kinh tế như truyền tải điện, giao thông vận tải, nhà máy giấy, nhà máy hoá chất...Hơn 150 năm qua, mạ nhúng kẽm nóng đã chứng tỏ có một lịch sử thành công trong thương mại như một phương pháp chống ăn mòn trong vô số các ứng dụng khắp thế giới.
Các phương pháp bảo vệ sắt thép chống ăn mòn
Dùng lớp phủ bảo vệ (hay gọi là bảo vệ rào chắn) để cách ly bề mặt kim loại tiếp xúc với chất điện dung trong môi trường ngoài là phương pháp cổ xưa nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc bảo vệ chống ăn mòn. Hai thuộc tích quan trọng nhất của lớp bảo vệ rào chắn là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp phủ. Sơn là một ví dụ điển hình về lớp bảo vệ rào chắn. Bảo vệ cathode là một phương pháp quan trọng để tránh ăn mòn, bản chất của bảo vệ cathode là làm thay đổi phần tử của mạch ăn mòn, tạo nền một phần tử của mạch ăn mòn mới và đảm bảo rằng kim loại nền trở thành phần tử cathode của mạch này.
Mạ nhúng kẽm nóng là phương pháp đồng thời cung cấp được hai phương pháp bảo vệ chống ăn mòn đó là bảo vệ rào chắn và bảo vệ cathode.
Quá trình mạ nhúng kẽm nóng (chuẩn bị bề mặt, mạ nhúng nóng, kiểm tra)
* Chuẩn bị bề mặt
Đây là bước quan trọng nhất trong bất cứ ứng dụng một phương pháp phủ bảo vệ bề mặt. Đa số các trường hợp hư hỏng trước thời hạn sử dụng là do việc chuẩn bị bề mặt không đúng và không phù hợp. Quá trình chuẩn bị bề mặt vật liệu kim loại nền cho mạ nhúng kẽm nóng gồm nhiều bước tuần tự như tẩy sạch dầu mỡ... bằng dung dịch chất kiểm, tẩy gỉ bằng axit...tẩy rửa loại bỏ các oxit và ngăn không cho bề mặt bị oxi hoá trở lại.
* Mạ nhúng kẽm nóng:
Trong bước này vật liệu được nhúng hoàn toàn trong bể kẽm nóng chảy có tối thiểu 98% kẽm nguyên chất, hoá chất trong bề kẽm nóng chảy được chỉ định theo tiêu chuẩn ASTM (hoặc tương đương). Nhiệt độ bể kẽm duy trì khoảng 454 độ C. Các sản phẩm gia công được nhúng trong bể đủ lâu để đạt tới nhiệt độ của bể mạ, các chi tiết được bỏ ra chậm khỏi bể mạ và lượng kẽm dư được loại bỏ bằng cách tự chảy, rung hoặc li tâm. Các phản ứng lý hoá trong quá trình xử lý vẫn diễn ra khi nhiệt độ chi tiết gần với nhiệt độ bể mạ. Các chi tiết được làm nguội bằng nước hay trong nhiệt độ không khí môi trường ngay sau khi bỏ ra khỏi bể mạ.
* Kiểm tra:
Hai thuộc tính quan trọng của lớp mạ kẽm nhúng nóng được xem xét cẩn thận sau khi mạ là độ dày lớp mạ và biểu hiện của lớp mạ. Tiêu chuẩn ASTM (hoặc các tiêu chuẩn khác tương đương) đã đưa ra tiêu chuẩn tối thiểu về độ dày lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng cho các loại chi tiết trong các lĩnh vực khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng tới độ dày và biểu hiện của lớp mạ kẽm là bao gồm: thành phần hoá học của thép, điều kiện bề mặt thép, nhiệt độ bể mạ, thời gian nhúng trong bể mạ, tốc độ lấy ra khỏi bề mạ, tốc độ làm nguội thép...
Thành phần hoá học của thép cần mạ là rất quan trọng, hàm lượng silicon và phosphorus có trong thép ảnh hưởng mạnh tới độ dày và bề ngoài của lớp mạ kẽm, ngoài ra các thành phần khác như carbon, sulfur, manganese cũng có hiệu quả thứ yếu lên độ dày của lớp phủ mạ kẽm.
Tổ hợp các thành phần kể trên được gọi là thép phục hoạt (reactive steel) trong công nghệ mạ nhúng kẽm nóng. Tổ hợp này nó có khuynh hướng làm tăng tốc sự phát triển của các lớp hợp kim kẽm sắt, điều này có thể làm cho lớp mạ phủ kẽm là bao hàm hợp kim kẽm sắt, do vậy thay vì có một bề mặt ngoài sáng màu kẽm thì lớp phủ mạ kẽm sẽ có màu xám đậm, lớp phủ màu xám đậm này sẽ cung cấp sự bảo vệ tốt như lớp phủ bảo vệ có bề mặt ngoài sáng.
Các chỉ tiêu lớp mạ kẽm thường được lấy theo tiêu chuẩn ASTM A123 đối với các sản phẩm kết cấu và theo tiêu chuẩn ASTM A153 đối với các chi tiết nhỏ khác như bulong ốc vít... hoặc sử dụng theo các tiêu chuẩn tương đương khác.
Tuổi thọ của lớp mạ
Tuổi thọ phục vụ mong đợi được định nghĩa là tuổi thọ cho tới khi 5% bề mặt xuất hiện lớp gỉ sắt. Biểu đồ dưới đây cho thấy độ dày của lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng với tuổi thọ phục vụ mong đợi khi sản phẩm sắt thép mạ nhúng kẽm nóng được sử dụng ở trong các môi trường khác nhau. Dữ liệu này được biên soạn từ nhiều thử nghiệm tuổi thọ của thép mạ kẽm từ năm 1926. Khí quyển ngày nay đã được cải thiện đáng kể qua các chiến dịch chống ô nhiểm, do đó qua bảng dữ liệu trên cho ta thấy tuổi thọ của lớp phủ mạ nhúng kẽm nóng càng được kéo dài lâu hơn trong thế kỷ này...
Sơn lên bề mặt thép mạ kẽm nhúng nóng
Các sản phẩm sau mạ kẽm nhúng nóng được sơn rất dễ dàng, hai yếu tố để đảm bảo được chất lượng lớp sơn phủ đó là sự chuẩn bị bề mặt sau khi mạ nhúng nóng và lựa chọn hệ thống sơn đúng đắn. Thép mạ kẽm được sơn vì một số lý do như là: thẩm mỹ, đánh dấu an toàn, mong muốn được bảo vệ lâu dài hơn nữa...
Tuổi thọ phục vụ mong đợi của lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng thường vượt tuổi thọ của kết cấu mà nó bảo vệ. Một hệ thống bảo vệ kép mạ nhúng nóng + sơn phủ sẽ kéo dài rất lớn thời hạn bảo vệ ăn mòn hiệu quả. Thí dụ tuổi thọ của lớp phủ mạ nhúng kẽm nóng là 35 năm, tuổi thọ phục vụ mong đợi cuả lớp sơn là 10 năm thì tuổi thọ phục vụ mong đợi của của hệ thống kép không phải là 45 năm mà bằng 67,5 năm, tức là bằng 1,5 x (35+10)năm.
(Nguồn American Galvanizers Association)