Kỹ thuật mạ kẽm chống gỉ!

Hôm nay em tiếp tục làm hồ sơ dự toán. Có mục 溶融亜鉛メッキ (mạ kẽm nhúng nóng) nên em đọc thêm, và muốn viết về mảng này. Nghe nhiều về mục này nhưng hiểu chi tiết thì không nhiều lắm. Vì kiến thức mảng này trên trang web của hiệp hội mạ kẽm của Nhật hơi dài nên bài về khoảng này em xin phép viết theo series nhé.
Mạ kẽm nhúng nóng là kỹ thuật nhúng vật liệu thép vào dung dịch kẽm tan chảy ở nhiệt độ cao, cấu thành nên một lớp màng bảo vệ bên ngoài bề mặt.
Vật liệu được mạ kẽm sẽ không phát sinh gỉ sét. Mạ kẽm khác so với sơn hay mạ điện, bởi vì sắt và kẽm kết hợp chặt chẽ với nhau thông qua tầng hợp kim tạo bởi sắt và kẽm, nên cho dù trải qua thời gian dài đi nữa, lớp mạ kẽm vẫn không bị bung ra.
Tính năng chống ăn mòn của kỹ thuật mạ kẽm nhúng nóng có 2 đặc trưng lớn là vai trò lớp phủ bảo vệ và vai trò là "vật thế thân"

*Vai trò lớp phủ bảo vệ chống gỉ có tác dụng cấu thành nên lớp màng oxit kẽm không cho nước và không khí thấm qua ngăn chặn quá trình oxi hoá.


*Vai trò "vật thế thân" chống ăn mòn. Trong trường hợp xuất hiện vết xước nay nứt trên bề mặt mạ kẽm, để lộ lớp sắt bên trong thì lớp kẽm xung quanh vết nứt sẽ bảo vệ điện hoá tức là tan chảy và phản ứng trước sắt, làm cho lớp sắt bên trong không bị ăn mòn.



Tài liệu tham khảo
http://www.aen-mekki.or.jp/mekki/tabid/72/Default.aspx

Quá trình mạ kẽm nhúng nóng được chia thành 8 giai đoạn.
Giai đoạn 1: Loại bỏ dầu mỡ bám trên bề mặt vật liệu
Nhúng vật liệu cần mạ kẽm vào dung dịch xút, loại bỏ hoàn toàn những bám bẩn trên bề mặt như dầu mỡ, v.v...
Giai đoạn 2: Tẩy nước
Rửa sạch những dung dịch dầu mỡ bám trên bề mặt vật liệu.
Giai đoạn 3: Tẩy axit
Nhúng vật liệu cần mạ kẽm vào dung dịch axit clohidric HCl hoặc axit sunphuaric H2SO4, loại bỏ hoàn toàn thành phần oxi hoá, để lộ phần sắt nguyên chất.
Giai đoạn 4: Tẩy nước
Rửa sạch những dung dịch axit còn bám trên bề mặt vật liệu.
Giai đoạn 5: Xử lý flux
Để hạn chế sự phát sinh gỉ sét sau khi giai đoạn tẩy axit và thúc đẩy quá trình phản ứng hợp kim của sắt và kẽm, tiến hành nhúng vật liệu vào dung dịch Kẽm nhôm (Zinc Ammonium Chloride) để cấu thành nên lớp flux bên ngoài bề mặt vật liệu.
Giai đoạn 6: Sấy khô
Tiến hành sấy khô vật liệu để ngăn chặn quá trình phân tán của kẽm.
Giai đoạn 7: Mạ
Nhúng vật liệu cần mạ vào trong dung dịch kẽm tan chảy, tạo nên lớp màng mạ kẽm. Chú ý lựa chọn điều kiện mạ thích hợp ứng với kích thước, hình dạng, và tính chất của vật liệu.
Giai đoạn 8: Làm lạnh.
Tiến hành làm lạnh vật liệu đã được mạ bằng nước nóng*. Dựa vào quá trình làm lạnh này mà ngăn cản quá trình phát triển của lớp hợp kim tạo thành giữa sắt và kẽm.



Tài liệu tham khảo
http://www.aen-mekki.or.jp/mekki/tabid/73/Default.aspx

Bài viết này hay quá, cho anh em 1 cái nhìn sơ qua về kĩ thuật mạ kẽm.
Trước giờ vẫn nghĩ, mạ kẽm cũng giống như sơn đỏ chống gỉ (赤さび止め), chỉ là vì phần cần mạ kẽm thường nằm lòi ra ngoài, nên mới mạ kẽm nhìn cho đẹp.
Thì ra, lớp mạ kẽm như tầng Hợp kim Fe-Zn nên bám chặt hơn, giúp cho lớp mạ khó bị rời ra hơn so với lớp sơn chống gỉ thông thường.

Có 1 câu hỏi : về vật thế thân : chỗ vết xước trên bề mặt mạ : theo như bài viết thì kẽm xung quanh vết xước này sẽ tan chảy ra trước, bảo vệ sắt bên trong.
Điều này cũng có nghĩa là vết xước phải bé đủ để kẽm đủ gần để có thể tác dụng lên hả? Nếu to qua, thì sẽ như thế nào?
よろしくお願いします．

Đúng như anh nói nếu to quá, tức là diện tích phần kẽm bị bong ra quá lớn, thì em nghĩ vai trò của lớp kẽm bên ngoài coi như mất tác dụng.  Bởi vì kẽm và sắt kết dính trực tiếp với nhau, nên nếu lớp kẽm bị bung ra thì sẽ trơ nguyên phần sắt không có gì bảo vệ. Coi như xong.
       

Như hình minh hoạ bên trên có thể suy ra được điều đó.

Nhưng một trong những ưu điểm của việc mạ kẽm này là tính kết dính của lớp kẽm với lớp sắt bên trong cực kỳ tốt. Do cách thức liên kết tạo nên lớp vỏ hợp kim Fe-Zn (em không rành hoá nên không rõ lắm về kiểu liên kết này).
Liên kết này chắc đến mức, nếu như chỉ va đập hay ma sát thông thường thì không thể nào làm nó bong ra được.

Nguồn tham khảo:
http://www.nitto-aen.co.jp/tech/faq.html
http://www.watashin.co.jp/about/

Những kết cấu thép tại những nơi dưới đây cần thiết phải được mạ kẽm. Mọi người chú ý để sau này làm dự toán và thiết kế bản vẽ.
1/ Nhà kính:
  Kết cấu thép được sử dụng tại những nơi có độ ẩm và nhiệt độ cao.

2/ Bể bơi trong nhà:
3/ Cầu đường: những công trình cần được quản lý bảo trì thường xuyên.
4/ Những công trình được xây gần biển, nơi có điều kiện khắc nghiệt.
5/ Nhà chờ ga tàu điện. Những nơi mà phần kết cấu thép lộ ra ngoài.
6/ Tại những công trình cần mang tính thẩm mỹ trang trí, thì có TH phủ sơn lên lớp mạ kẽm.

Tài liệu tham khảo
http://www.aen-mekki.or.jp/mekki/tabid/74/Default.aspx

Thời gian (năm) hiệu lực trong không khí có thể được tính theo công thức sau:
     Thời gian = lượng mạ kẽm (g/m2) / tốc độ ăn mòn (g/m2/năm) x 0.9
Dưới đây là bảng thống kê về thời gian hiệu lực của mạ kẽm

       

Dựa trên công thức tính trên và bảng thống kê này thì có thể tính được, số lượng thép trung bình được phủ lên thép là khoảng 500g/m2

Tài liệu tham khảo
http://www.aen-mekki.or.jp/mekki/tabid/75/Default.aspx

Bài viết của Quyền đang triền khai rất tốt.
Có 2 vấn đề muốn Quyền viết tiếp luôn :
1. Vì phương pháp này là nhúng toàn bộ sản phẩm cần mạ vào trong bể mạ, nên sẽ có những lưu ý cần phải nẳm (vật cần mạ kín, khoan lỗ スカラップ,... ). Những điểm này cần chú ý trong giai đoạn thiết kế sản phẩm.
2.Có những trường hợp, người ta quét lên trên 1 lớp kẽm này 1 lớp sơn khác nước, ví dụ như lớp chống cháy 耐火. Trong trường hợp này, cần chú ý những gì? Có loại sơn nào ko được quét lên trên lớp mạ ko?

Câu hỏi của anh hay lắm. Từ nó mà em cũng tìm được một số thông tin rất thú vị.

Thứ nhât: Những điểm cần lưu ý khi chế tác sản phẩm cần mạ kẽm

1/ Chú ý về kích thước và khối lượng


  Khối lượng và độ lớn của sản phẩm cần mạ kẽm được quyết định bởi độ lớn bể dung dịch kẽm và các thiết bị tại công trường (khả năng vận chuyển). Cho nên ở giai đoạn thiết kế sản phẩm cần mạ kẽm cũng cần phải để ý tới độ lớn của xưởng mạ. Trường hợp kích thước sản phẩm lớn hơn bể mạ thì có thể được nhúng 2 lần vào bể mạ nhưng chất lượng sẽ không thật sự tốt.



2/ Chất liệu của sản phẩm


  Chất liệu sản phẩm sẽ làm xuất hiện các lỗi ở độ dày lớp mạ, hình dạng, tính chất vật liệu v.v...
  Trong các thành phần của vật liệu tạo nên sản phẩm thì Silic có ảnh hưởng lớn tới độ phản ứng của sắt và kẽm. (2 kim loại nếu tác dụng với nhau thì không tốt do tính chất mỗi vật liệu đã bị thay đổi).
   Nếu nồng độ Silic nằm ngoài 2 khoảng, khoảng dưới 0,05% và khoảng từ 0.15~0.25 thì phản ứng giữa sắt và kẽm sẽ rất mãnh liệt, tạo nên lớp mạ kẽm dày bất thường. Thêm vào đó là nồng độ Photpho. Sẽ không vấn đề gì nếu giá trị này nhỏ hơn 0.05%, nhưng nếu vượt quá 0.07% thì nó cũng có tác dụng thúc đẩy phản ứng sắt kẽm như Silic. Cần phải hết sức chú ý.
   Đây là giới hạn về tương quan nồng độ cho phép của Silic và Photpho trong vật liệu cần mạ kẽm.



3/ Chú ý về sự khác nhau về vật liệu của sản phẩm


 Việc mạ đồng nhất các sản phẩm được cấu thành từ nhiều loại vật liệu, sản phẩm có phương pháp xử lý, điều kiện mạ khác nhau, sản phẩm có sự khác biệt quá lớn giữa độ dày các vật liệu cấu thành nên rất là khó khăn.



4/ Hàn các chi tiết với nhau


  Nếu giả định rằng đường hàn không liên tục (đứt đoạn), thì ở giai đoạn tẩy axit trong quá trình mạ kẽm, axit sẽ thấm vào bên trong vật liệu qua chỗ chưa được hàn, sau đó oxi hoá vật liệu. Sau khi mạ sẽ làm chảy ra sốt gỉ đỏ. Chính vì thế đối với vật liệu mạ kẽm cần phải hàn được hàn liên tục, không để kẽ hở cho axit lọt vào.
   Thêm nữa trong TH chồng 2 miếng thép có độ dày khác nhau, giống như miếng plate nối　ブーレス với xà thì diện tích chồng lên nhau của  2 vật liệu phải nhỏ hơn 400cm2. Điều này là do phân bố nhiệt độ không đều xảy ra khi mạ. Nó sẽ làm phát sinh nứt gãy tại chỗ hàn hay biến dạng miếng thép.
    Trong TH miếng thép quá lớn, thì sau khi mạ xong mới hãy nối với nhau bằng bulong hoặc, đục một lỗ trên miếng thép sau đó hàn xung quanh 4 mặt, rồi lấp lỗ đã đục bằng hàn trụ （栓溶接) sau đó mới tiến hành mạ kẽm. Như hình



5/ Đục lỗ cho kẽm, không khí thoát ra.


  Nếu có những bộ phận bị bít chặt do quá trình tổ hợp với nhau, hay do thép hình ống thì không chỉ không thể nhúng vào bể mạ được, mà hơi nước tồn đọng bên trong khi gặp nhiệt độ cao của bể mạ sẽ phình to đột ngột, tạo áp suất lớn có khả năng gây nổ. Những ví dụ về việc đục lỗ cho kẽm thoát ra.



6/ Đối với bộ phận nối bằng bulong


  Trong TH mà những bộ phận dùng trong nối bulong như bulong, nút, được hàn lên trên vật liệu thì tại phần ren, kẽm sẽ bị tích tụ khiến cho việc vặn bulong không được chặt. Để khắc phục vấn đề này thì có 2 cách. Hoặc là trước khi hàn bịt phần ren lại hoặc sau khi hàn sử dụng phương pháp tapping (vặn bulong vào nút tới lui để phần mạ kẽm bong ra, giống như cạo bằng bulong vậy)
      * Phương pháp loại bỏ phần "kẽm thừa" sau khi mạ
        Đối với bulong có đường kính nhỏ thì tapping nhưng đối với bulong có đường kính lớn thì dùng nhiệt độ cao làm tan chảy phần kẽm sau đó dùng bàn chải quét nó đi.

        Tapping
       

      * Phương pháp sử lý bịt phần ren trước khi mạ
        Sơn hoặc bôi keo lên phần ren hoặc dùng bulong vặn tạm vào trước sau khi mạ thì tháo ra. Một số ví dụ




7/ Những phần không mạ


   Những phần không tiến hành mạ kẽm như mặt tiếp xúc với bulong cường độ cao, hay phần hàn lên trên phần mạ kẽm cần được xử lý theo những cách thông thường sau đây.
   (1) Bằng vật liệu đã tiến hành gia công cơ khí hay vật liệu không gỉ
   Dán vật liệu chống cháy hay phủ CaO lên trên bề mặt không cho tiếp xúc với kẽm.
   (2) Dùng gỉ hoặc vật liệu có độ dày lớn
   Sử dụng vật liệu sơn có tính kháng hoá chất như hợp chất cao phân tử epoxy resin phủ lên vật liệu. Làm thế này thì dù có xử lý tẩy axit đi nữa thì tại chỗ đã quét lớp sơn này sẽ không bị tẩy gỉ. Do đó dù có nhúng vật liệu vào bể mạ đi nữa thì cũng không tiếp xúc với l kẽm nên sẽ không bị mạ
   (3) Những vật liệu có kích thước lớn, độ dày lớn
    Với những vật liệu được sử dụng trong các công trình đồ sộ thì thời gian nó phản ứng với kẽm nóng cũng sẽ dài hơn.  Chính vì thế mà lớp sơn sẽ bị hoá than 1 phần rồi sau đó tiếp xúc với kẽm nên cần sơn nhiều lớp hoặc dán băng keo lên chỗ không mạ.

Tài liệu tham khảo:
http://www.aen-mekki.or.jp/faq/tabid/62/Default.aspx

Thêm 2 câu hỏi cho loạt bài này nữa :

1. Về "tương quan nồng độ cho phép của Silic và Photpho trong vật liệu cần mạ kẽm":
Quyền có thể cho ví dụ về loại vật liệu nào thì có nồng đọ Si hoặc P ko phù hợp với việc mạ kẽm ko? (SS400, SM. SN, ...???)

2. "Đối với bộ phận nối bằng bulong": những phần này mình ko mạ, thì sắt sẽ dễ bị ăn mòn từ những phần này, kéo theo lan ra những phần khác. Có cách nào giải quyết vấn đề này ko?

Em xin trả lời câu hỏi thứ 2 trước:

1/ những phần không mạ thì sắt sẽ dễ bị ăn mòn từ những phần này, kéo theo lan ra những phần khác. Ý em chỗ này là mặt tiếp xúc giữa 2 vật liệu được nối bằng bulong. Không xử lý mạ kẽm tại những phần này là để duy trì hệ số trượt giữa 2 vật liệu. Điều này sẽ làm giữ được độ ma sát giữa 2 vật liệu và làm liên kết chắc hơn. Sẽ không có chuyện sắt bị ăn mòn lan sang phần đã mạ kẽm được, do tác dụng thế thân mà em đã giải thích. Còn nếu nó bị ăn mòn và lan sang phần không được mạ (phần này là mặt tiếp xúc được kết nối bằng bulong) thì nó cũng nằm trong ý đồ thiết kế nên không sao cả.

2/ cho câu hỏi thứ 2 của lần trước. "Có những trường hợp, người ta quét lên trên 1 lớp kẽm này 1 lớp sơn khác nước, ví dụ như lớp chống cháy 耐火. Trong trường hợp này, cần chú ý những gì? Có loại sơn nào ko được quét lên trên lớp mạ ko?"
    Lớp mạ kẽm thông qua cơ cấu chống ăn mòn của nó thì trên nguyên tắc chỉ sử dụng nó nguyên hình nguyên trạng, không phủ lên gì thêm. Nhưng tại những nơi có điều kiện mội trường có tính ăn mòn khắc nghiệt, thì việc phủ lên lớp mạ kẽm một lớp sơn để tăng cao sức đề kháng cũng là 1 phương pháp hiệu quả. Nhìn từ góc độ lớp kẽm đã được mạ, vì bên trên có 1 lớp sơn phủ nên việc bị nước hay những thứ tương tự xâm nhập vào bên trong gây ăn mòn sẽ bị chậm lại, bên cạnh đó, nếu nhìn từ lớp sơn phủ, vì sự ăn mòn thép bị chậm lại cộng với "những vật chất tạo gỉ" cũng chỉ có kích thước nhỏ li ti nên sẽ giảm đi gánh nặng cho lớp sơn phủ.
     Có nhiều nghiên cứu cho rằng, nhờ vào quan hệ hỗ trợ tương hỗ này mà làm tuổi thọ của việc sơn phủ lên lớp mạ kẽm sẽ được kéo dài thêm từ 1,6~2,3 lần so với tổng tuổi thọ của 2 trường hợp là chỉ sơn và chỉ mạ kẽm. Chính vì thế mà đây là một phương pháp hiệu quả đối với những trường hợp cần duy trì tính chống ăn mòn trong thời gian dài.

     Mục đích của việc sơn phủ lên lớp mạ kẽm được tóm tắt như sau:
(1) Sơn phủ để tạo thẩm mỹ và dùng trong các
(2) Duy trì "tính đề kháng" trong môi trường ăn mòn khắc nghiệt
(3) Tạo sức đề kháng cho những công trình gặp khó khăn về mặt sửa chửa
(4) "Tu sửa" cho thép mạ kẽm

     Tính chống ăn mòn khi đã được sơn phủ lên bề mặt mạ kẽm
Kẽm là kim loại có hoạt tính cao, nên nếu sơn một lớp sơn giống như sơn đối với lớp sắt bên trong thì lớp sơn sẽ phản ứng hoá học với kẽm, có nhiều TH sẽ gây ra nhiều sự cố như làm bong đi lớp sơn.
Nhưng nếu chọn đúng loại sơn thích hợp thì tính chống ăn mòn sẽ bằng khoảng 2 lần tổng số tuổi thọ khi chỉ sơn không, cộng thêm số tuổi thọ khi chỉ mạ kẽm không. Số liệu theo bảng dưới:

      Các phương thức sơn phủ lên lớp mạ kẽm
Như đã nói thì kẽm là kim loại có hoạt tính cao nên cần phải lựa chọn loại sơn thích hợp. Nên tránh hững loại sơn thuộc hệ dầu hay hệ alkyd.  Bảng sau là những ví dụ về việc chọn sơn lên lớp mạ kẽm:



Tài liệu tham khảo:
http://shikoku-galva.com/qa.html
http://www.jlzda.gr.jp/mekki/me_d/d03.htm
http://www.aen-mekki.or.jp/faq/tabid/62/Default.aspx#no15_1

Tiếp theo trong loạt bài này em xin giới thiệu về những vấn đề tồn tại trong bulong cường độ cao mạ kẽm.

(1) Ảnh hưởng tới cường độ mỏi:
    Lớp vỏ bọc mạ kẽm được cấu thành từ tầng hợp kim và lớp kẽm. Lớp kẽm này lại tương đối giòn, nên ít nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến cường độ mỏi do tác dụng lặp đi lặp lại của ngoại lực tới bulong. Thế nhưng, qua các thí nghiệm thực tế cho thấy nó không làm ảnh hưởng nhiều đến cường độ của bulong.
Cụ thể, theo kết quả thí nghiệm thì cường độ mỏi của nó giảm 12kg/mm2 so với vật liệu nguyên chất. dù cho thế đi nữa thì cường độ của nó vẫn ở mức cao nên trong thiết kế không cần quá chú ý đến nó (sự giảm cường độ bulong do mạ kẽm)

(2) Bulong cường độ cao mạ kẽm sử dụng F8T
Công đoạn loại bỏ gỉ trong xử lý trước khi mạ kẽm, thông thường được thực hiện bởi phương pháp tẩy axit như đã giới thiệu, nhưng đối với bulong cường độ cao, thì thường được thực hiện bằng phương pháp phun và tẩy axit rất nhẹ nhàng. Tuy nhiên dù thế đi nữa thì bởi vì là không thể loại bỏ hoàn toàn khả năng bị phá hoại trễ do sự hấp thu Hidro phát sinh lúc tẩy axit, cùng với đó do nhiệt độ mạ kẽm lớn hơn nhiệt độ "đốt hoàn lại 焼き戻し" (khoảng 420°C) của bulong F10T nên cho dù có mạ kẽm F10T thì kết quả cũng chỉ nhận được bulong có cường độ F8T. Điều này không xảy ra đối với bulong F8T. Hiện tại trogn bộ qui chuẩn JIS, chỉ có bộ bulong JIS B 1186 là được kiểm định. Chính vì thế mà hiện tại bulong F8T đang được sử dụng rộng rãi.

Tư liệu tham khảo:
http://kouriki-bolt.jp/faq/kikaku12.html
http://www.aen-mekki.or.jp/faq/tabid/62/Default.aspx#no15_1

Quyền có thể định nghĩa "Cường độ mỏi" cụ thể hơn 1 chút được ko?

Về việc "đốt hoàn lại 焼き戻し", việc này có ý nghĩa gì?
Bu lông F10T, với F8T khác nhau ở chỗ nào? Tại sao F10T sau khi đốt hoàn lại lại trở lại thành F8T?