金屬腐蝕原理及防護(hù)簡(jiǎn)介

王苗偉

摘 要：金屬材料在生活中用處很廣，而它的腐蝕自發(fā)進(jìn)行，常造成巨大損失。文章介紹了金屬腐蝕的危害與腐蝕原理，詳細(xì)闡述了幾種常用的金屬防腐手段及其作用原理，最后做出總結(jié)。

關(guān)鍵詞：金屬腐蝕;腐蝕原理;防護(hù)手段

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0084-02

材料是現(xiàn)代社會(huì)和科學(xué)發(fā)展的重要支柱，與我們的生活密切相關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，各色各樣的金屬制品運(yùn)用越來(lái)越多、無(wú)處不在。運(yùn)用廣泛的金屬材料分黑色金屬、有色金屬兩類。黑色金屬包括鐵、鉻、錳及其合金;有色金屬則是除鐵、鉻、錳之外的所有金屬及合金。工業(yè)化給金屬材料提供了廣闊的舞臺(tái)，同時(shí)也加速了金屬的腐蝕，使得金屬腐蝕與防護(hù)的工作倍受重視。每年全球因腐蝕造成的金屬損失量約占金屬總產(chǎn)量的30%[1]。2014年我國(guó)腐蝕總成本約占當(dāng)年GDP的3.34%，總額超過(guò)2.1萬(wàn)億元人民幣。因此做好金屬腐蝕與防護(hù)的工作很有必要。本文主要介紹金屬腐蝕以及一些常用的防護(hù)手段。

1 金屬腐蝕分類

金屬腐蝕是材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用或電化學(xué)作用而變質(zhì)和破壞的現(xiàn)象，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理可分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩種，其中絕大多數(shù)腐蝕均是發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

1.1 電化學(xué)腐蝕

金屬在環(huán)境中與電解質(zhì)溶液接觸，同金屬中的雜質(zhì)或不同種金屬之間形成電位差，構(gòu)成腐蝕原電池而引起金屬腐蝕的現(xiàn)象稱為電化學(xué)腐蝕。腐蝕歷程可分為兩個(gè)獨(dú)立的并同時(shí)進(jìn)行的陽(yáng)極（發(fā)生氧化反應(yīng)）和陰極（發(fā)生還原反應(yīng)）過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程中有電流產(chǎn)生。其可分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種。腐蝕電池反應(yīng)如下[2]：

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e

陰極：2H++2e→2H→H2（酸性介質(zhì)中的析氫反應(yīng)）

O2+4H++4e→2H2O或O2+2H2O+4e→4OH-（酸性或中性介質(zhì)中的吸氧反應(yīng)）

1.2 化學(xué)腐蝕

金屬材料在干燥氣體和非電解質(zhì)溶液中發(fā)生純化學(xué)作用而引起的腐蝕損傷稱為化學(xué)腐蝕。反應(yīng)歷程是材料表面原子與非電解質(zhì)中的氧化劑直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程無(wú)電流產(chǎn)生。例如在鋼鐵冶煉過(guò)程中，高溫氧化性氣體作用于鋼鐵表面而生成氧化鐵及脫碳的腐蝕現(xiàn)象就是化學(xué)腐蝕。

2 金屬腐蝕防護(hù)手段

金屬材料種類的多樣、腐蝕環(huán)境的復(fù)雜決定了金屬腐蝕防護(hù)手段的多樣。防護(hù)手段大致可分為金屬表面處理、電化學(xué)保護(hù)和改善腐蝕環(huán)境三大類。

2.1 金屬表面處理

金屬表面處理主要是指通過(guò)物理、化學(xué)及電化學(xué)手段在金屬基材表面建立一種隔離保護(hù)層，以阻隔電解質(zhì)溶液與基材接觸，達(dá)到減緩腐蝕的目的。

2.1.1 涂層防護(hù)

涂料涂層防腐具有悠久的歷史。從最早的桐油、大漆到現(xiàn)在各類多樣的防護(hù)涂料，涂料涂層隨處可見(jiàn)。在金屬基材表面涂覆一層涂層可以隔絕水與氧氣接觸基底，產(chǎn)生保護(hù)作用。涂層防腐具有經(jīng)濟(jì)、方便、有效、應(yīng)用普遍的特點(diǎn)。涂料涂層除去防護(hù)金屬免遭腐蝕的作用外，還有美觀、標(biāo)志以及一些特殊功能。涂料防護(hù)有施工及修復(fù)簡(jiǎn)便、不受待涂裝設(shè)備大小形狀限制等優(yōu)點(diǎn)[3]。常用的涂料施工工藝有刷涂、輥涂、噴涂等，常用的漆有環(huán)氧樹(shù)脂漆、聚氨酯漆、醇酸樹(shù)脂漆、酚醛樹(shù)脂漆、丙烯酸樹(shù)脂漆等。

2.1.2 金屬層防護(hù)

金屬層防護(hù)主要是指在基材表面覆蓋一層金屬或合金，將保護(hù)對(duì)象同腐蝕介質(zhì)隔離開(kāi)，以達(dá)到對(duì)基材金屬產(chǎn)生保護(hù)的目的。在基材表面覆蓋十幾微米的保護(hù)層，可以大大提高材料的耐腐蝕性，節(jié)省大量的資源。覆蓋金屬保護(hù)層的手段有電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、真空鍍等[4]。從鍍層與保護(hù)金屬的電極電位區(qū)分，有陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層兩種。其中陽(yáng)極性鍍層在受到破壞后依舊對(duì)基材有保護(hù)作用，而陰極性鍍層受到破壞后則會(huì)加速基材腐蝕。

2.1.3 陽(yáng)極氧化處理

外加電源并將金屬材料與電源正極連接，在外加電流和相應(yīng)電解質(zhì)溶液的共同作用下，金屬表面生成一層氧化膜的過(guò)程叫陽(yáng)極氧化。陽(yáng)極氧化工藝主要運(yùn)用于鋁、鎂、鈦及其合金。這些金屬表面自身會(huì)生成一種薄的氧化膜，但是天然氧化膜層的各項(xiàng)性能都較弱[5]。通過(guò)陽(yáng)極氧化處理后，表面生成的幾微米至幾百微米的氧化膜更致密，耐蝕性、耐磨性及裝飾性等性能均有很大的提高。

2.1.4 氧化處理

氧化處理是化學(xué)表面處理的一種常用手段，在強(qiáng)氧化劑的作用下，鋼鐵件表面生成一微米左右厚的保護(hù)性氧化膜以隔絕腐蝕介質(zhì)。氧化膜的顏色一般呈黑色或藍(lán)黑色，因此氧化處理也稱作發(fā)藍(lán)處理。這種氧化膜膜層薄且有較好潤(rùn)滑性，不影響零件精密度，故發(fā)藍(lán)常用于精密儀器、儀表、武器等防護(hù)和裝飾處理。

2.1.5 磷化處理

鐵、鋅等金屬及其合金在酸性磷酸鹽溶液中浸泡，在金屬表面發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)并生成磷酸鹽化學(xué)膜的過(guò)程是磷化處理，生成的磷酸鹽化學(xué)膜稱為磷化膜[6]。磷化是常用的金屬前處理技術(shù)，生成的磷化膜能給基體提供保護(hù)，隔絕腐蝕介質(zhì);提高涂層漆膜對(duì)基材的附著力，延長(zhǎng)使用壽命。

2.1.6 合金化處理

合金化處理是通過(guò)往金屬中摻雜其他元素（碳、鎳、錳等），以改善耐蝕性、耐磨性等性能的技術(shù)。例如對(duì)鋼鐵做滲碳滲氮處理，使碳氮元素進(jìn)入鋼材表面層，可大大提高鋼鐵硬度。不銹鋼就是在鐵的冶煉過(guò)程中加入鎳、鉻、碳等元素而形成的特殊鋼材，其耐腐蝕性較一般鋼材有很大提高，并有良好的力學(xué)性能。

2.2 電化學(xué)保護(hù)法

電化學(xué)保護(hù)法是運(yùn)用電化學(xué)原理對(duì)金屬材料采取措施，使其充當(dāng)陰極或鈍化，達(dá)到減緩腐蝕的目的。其可分為犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法以及陽(yáng)極保護(hù)法三種。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是在基材表面連接電位更低的金屬或合金，后者在電解質(zhì)溶液中充當(dāng)陽(yáng)極，基材則被保護(hù)成為陰極。例如在艦船底部每隔一段距離焊上鋅塊，以減緩鐵基船底在海水中的腐蝕。外加電流的陰極保護(hù)法是通過(guò)引入外電源，電源負(fù)極與被保護(hù)基材相接，使得基材成為陰極而減緩腐蝕。一些埋地石油管道、接地電網(wǎng)等常用此方法防腐。與外加電流的陰極保護(hù)法不同，陽(yáng)極保護(hù)法則是將金屬接外電源的正極，使基材電位達(dá)到較正的值，而后在金屬表面生成氧化膜，進(jìn)而保護(hù)金屬降低腐蝕。陽(yáng)極保護(hù)法適用于易鈍化的體系，一般用在氧化性強(qiáng)的介質(zhì)中。

2.3 改善腐蝕環(huán)境

改善金屬材料所處的腐蝕環(huán)境對(duì)降低腐蝕速度很有必要。常用的方法有添加緩蝕劑，通過(guò)在金屬所處環(huán)境中加入緩蝕物質(zhì)可以有效降低其腐蝕速度。緩釋劑的用量很少，一般在1%以下，但緩釋效果卻十分明顯，因此緩蝕劑防腐被大量運(yùn)用于石油、化工、運(yùn)輸、文物保護(hù)等產(chǎn)業(yè)[7]。此外，在埋地管道周圍填充干燥的砂石以避免管道直接與土壤接觸，這也是改善腐蝕環(huán)境的一種手段。

3 結(jié)語(yǔ)

不管在生活中，亦或是在工業(yè)生產(chǎn)里，金屬腐蝕及防護(hù)的工作都有著十分重要的意義。金屬材料的防腐手段多種多樣，針對(duì)不同的材料、不同的腐蝕條件需要使用合適的防腐技術(shù)。由于腐蝕條件的復(fù)雜，同一種材料往往需要多種防護(hù)手段相結(jié)合，這樣才能更好地保護(hù)材料，延長(zhǎng)使用壽命。另外，設(shè)備在生產(chǎn)之前進(jìn)行合理的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也是提前預(yù)防或避免腐蝕的重要手段。最后，研究開(kāi)發(fā)更優(yōu)異的耐蝕材料和防護(hù)手段是未來(lái)的發(fā)展方向，需要我們共同的努力。

參考文獻(xiàn)

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