Sự thụ động inox của axit nitric so với axit citric

Thép không gỉ vốn là vật liệu có khả năng chống ăn mòn, tuy nhiên, khi thép không gỉ được gia công, định hình hoặc chế tạo, sắt tự do có thể được đưa vào bề mặt và có thể bị ăn mòn độc lập với vật liệu nền. Quá trình thụ động hóa thép không gỉ đúng cách bằng axit oxy hóa như axit nitric hoặc axit citric sẽ loại bỏ sắt tự do này và thúc đẩy sự hình thành một lớp oxit bảo vệ mỏng, dày đặc, giúp tối đa hóa khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ. Tùy thuộc vào loại thép không gỉ và ứng dụng cuối cùng, một số quy trình thụ động hóa có thể hoạt động tốt hơn các quy trình khác. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ so sánh thụ động hóa bằng axit nitric và axit citric, đây là hai hóa chất chính được quy định trong ASTM A967 và AMS 2700.

Thụ động hóa bằng axit nitric

Khi so sánh thụ động hóa bằng axit nitric và axit citric, phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong toàn ngành công nghiệp là thụ động hóa bằng axit nitric. Quy trình thụ động hóa bằng axit nitric là quy trình thụ động hóa ban đầu được quy định trong QQ-P-35, tiêu chuẩn quân sự đầu tiên về thụ động hóa, phiên bản A được phát hành vào những năm 1960. Thụ động hóa axit nitric cung cấp một loạt các tùy chọn để tùy chỉnh khả năng oxy hóa của axit cho phù hợp với từng loại thép không gỉ cụ thể. Các phương pháp và loại thụ động hóa axit nitric khác nhau bao gồm một số tùy chọn gia nhiệt cũng như các tùy chọn bao gồm natri dicromat.

Nồng độ axit nitric càng cao và nhiệt độ axit nitric càng cao thì khả năng oxy hóa của hóa chất thụ động càng lớn. Natri dicromat cũng có thể được thêm vào axit nitric để tăng khả năng oxy hóa của bể, giúp nó phù hợp hơn với các loại thép không gỉ ít chống ăn mòn, chẳng hạn như thép không gỉ tôi kết tủa, thép không gỉ martensitic và thép không gỉ ferritic. Các loại thép không gỉ này có hàm lượng niken và crom thấp hơn, do đó dễ bị ăn mòn hơn. Khả năng oxy hóa của hóa chất càng cao, lớp màng oxit thụ động hình thành trên bề mặt càng nhanh và hiệu quả, làm giảm khả năng ăn mòn.

Tóm tắt các phương pháp thụ động hóa axit nitric khác nhau theo tiêu chuẩn ASTM A967 được cung cấp dưới đây:

Nitric 1: Axit Nitric 20-25% thể tích, Natri Dicromat 2,5% thể tích, 120-130°F, tối thiểu 20 phút
Nitric 2: Axit Nitric 20-45% thể tích, 70-90°F, tối thiểu 30 phút
Nitric 3: Axit Nitric 20-25% thể tích, 120-140°F, tối thiểu 20 phút
Nitric 4: Axit Nitric 45-55% thể tích, 120-130°F, tối thiểu 30 phút
Nitric 5: Các kết hợp khác về nhiệt độ, thời gian và axit có hoặc không có chất xúc tác, chất ức chế hoặc dung dịch độc quyền có khả năng sản xuất các chi tiết đạt yêu cầu thử nghiệm quy định.
ASTM A967 cũng cung cấp một tài liệu tham khảo rất hữu ích về các loại thép không gỉ cho phương pháp thụ động hóa axit nitric được khuyến nghị. Bảng tóm tắt này được cung cấp:

Sự nhiễm bẩn hóa chất thụ động hóa có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn nhanh bề mặt, tạo ra bề mặt bị ăn mòn mạnh hoặc tối màu. Một nguyên nhân phổ biến dẫn đến hiện tượng ăn mòn nhanh là clorua, có thể đến từ nhiều nguồn, bao gồm cả việc kéo theo axit hoặc sử dụng clorua trong nước. Ngoài ra, sự tích tụ hữu cơ trong bể thụ động hóa, chẳng hạn như việc kéo theo dầu gia công từ các chi tiết không được làm sạch đúng cách, có thể dẫn đến ăn mòn nhanh hoặc ăn mòn thép không gỉ. Do đó, cần phải thường xuyên phân tích và bảo trì hóa chất thụ động hóa. Một số phương pháp thụ động hóa cũng có khả năng chống ăn mòn nhanh tốt hơn các phương pháp khác. Đối với thụ động hóa bằng axit nitric, các bể có khả năng oxy hóa cao hơn cũng có khả năng chống ăn mòn nhanh tốt hơn. Axit nitric cũng có khả năng chống ăn mòn nhanh tốt hơn so với axit citric.

Thụ động hóa bằng axit citric

Thụ động hóa bằng axit citric được phát triển bởi công ty sản xuất bia Adolf Coors để thụ động hóa bên trong thùng bia. Đây là một giải pháp thay thế hiệu quả cho quá trình thụ động hóa nitric với ít lo ngại về xử lý hơn và được coi là thân thiện với môi trường, nằm trong danh sách GRAS (Được công nhận chung là an toàn) của FDA, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thực phẩm và đồ uống.

Khi so sánh thụ động hóa nitric với thụ động hóa citric, dung dịch citric có thể thụ động hóa hiệu quả nhiều loại hợp kim thép không gỉ hơn so với bất kỳ dung dịch thụ động hóa axit nitric nào, cho phép thụ động hóa nhiều cụm hợp kim thép không gỉ.

Các hóa chất thụ động loại bỏ sắt tự do khỏi bề mặt nhưng cũng có thể loại bỏ một số niken và crom khỏi thép không gỉ. Việc loại bỏ niken và crom làm giảm vật liệu chống ăn mòn trên bề mặt, để lại lớp oxit mỏng hơn. Thụ động hóa axit citric loại bỏ chọn lọc sắt trên niken và crom, để lại lớp oxit chống ăn mòn dày hơn so với thụ động hóa axit nitric

Một trong những ưu điểm khác của axit citric là công thức dung dịch có thể được điều chỉnh để giảm thời gian chu kỳ so với axit nitric, cho phép tăng thông lượng và giảm chi phí thụ động hóa so với axit nitric. Thời gian chu kỳ có thể thấp tới 4 phút với một số công thức thụ động hóa axit citric. Tóm tắt về các nồng độ và thời gian thụ động hóa axit citric khác nhau theo tiêu chuẩn ASTM A967 được cung cấp dưới đây.

Citric 1: Axit Citric 4-10 w%, 140-160°F, tối thiểu 4 phút
Citric 2: Axit Citric 4-10 w%, 120-140°F, tối thiểu 10 phút
Citric 3: Axit Citric 4-10 w%, 70-120°F, tối thiểu 20 phút
Citric 4: Các kết hợp khác về nhiệt độ, thời gian và nồng độ axit citric có hoặc không có hóa chất để tăng cường làm sạch, chất xúc tác hoặc chất ức chế có khả năng tạo ra các chi tiết đạt yêu cầu thử nghiệm quy định.
Citric 5: Các kết hợp khác về nhiệt độ, thời gian và nồng độ axit citric có hoặc không có hóa chất để tăng cường làm sạch, chất xúc tác hoặc chất ức chế có khả năng tạo ra các chi tiết đạt yêu cầu thử nghiệm quy định. Bể ngâm cần được kiểm soát ở độ pH từ 1,8-2,2

Khâu chuẩn bị xử lý thụ động (Passivation Pretreatment) 

Một yêu cầu chung khi so sánh thụ động hóa bằng axit nitric và axit citric là các chi tiết cần được tiền xử lý đúng cách. Đối với thép không gỉ cấp martensitic và cấp kết tủa được xử lý nhiệt, có khả năng xuất hiện cặn bám trên chi tiết sau quá trình tôi cứng. Đối với các chi tiết gia công, có dung dịch cắt gọt và các loại dầu khác. Cuối cùng, đối với các cụm chi tiết, có cặn bám hàn và vết nhiệt. Bất kỳ cặn bám hoặc dầu bám nào còn sót lại trên chi tiết đều làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu và trong quá trình thụ động hóa sẽ làm giảm hiệu quả và có thể làm hỏng chi tiết. Cặn bám và dầu bám nên được loại bỏ trước khi thụ động hóa. Dầu bám có thể được làm sạch đơn giản hoặc tẩy dầu mỡ bằng hơi nước trên chi tiết. Trong khi cặn bám cần được loại bỏ bằng axit khoáng tẩy cặn như axit clohydric, hoặc các chất khử oxy vô cơ như kali permanganat hoặc bằng các phương pháp mài mòn như phun cát hoặc đánh bóng rung. Phương pháp loại bỏ cặn bám cơ học được khuyến nghị cho những chi tiết yêu cầu bề mặt rất đồng đều, đặc biệt là đối với các chi tiết có vùng chịu ảnh hưởng nhiệt như mối hàn.

Kết luận

Thụ động hóa thép không gỉ là một thành phần quan trọng trong sản xuất các chi tiết thép không gỉ để đảm bảo khả năng chống ăn mòn được tối ưu hóa hoàn toàn. Có nhiều yếu tố khác nhau khi lựa chọn phương pháp thụ động hóa axit citric hay axit nitric, và bài viết này đã đề cập đến một số kiến thức cơ bản về việc lựa chọn quy trình thụ động hóa. 

Blog của tác giả: Will T., Kỹ sư Quy trình

Tài liệu tham khảo:

Mohr, J. H. (2007, ngày 1 tháng 8). Làm thép không gỉ. Truy cập từ PF Online: https://www.pfonline.com/articles/making-stainless-steel-stainless