电化学在金属防腐蚀中的应用

应用电化学结课论文

电化学在金属防腐蚀中的应用

化工132班

李旭

2013012059

-摘要：

金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破坏被称为金属腐蚀。据统计，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为10%，全世界每年因腐蚀损失约高于7000亿美元。世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值3.5％～4.2％，超过每年各项大灾（火灾、风灾及地震等）损失的总和。有人甚至估计每年全世界腐蚀报废和损耗的金属约为1亿吨！而国每年腐蚀掉不能回收利用的钢铁达100多吨，大致相当于宝山钢铁厂一年的产量，腐蚀损失为洪水、火灾、飓风、和地震等自然灾害综合损失的六倍，但人们往往很难意识到这种分散的、日积月累的、不知不觉中发生的腐蚀破坏的严重性。所以研究金属腐蚀和防护具有重要意义.

关键词：金属腐蚀与防护电化学保护法

一、基本原理：

（一）金属材料的腐蚀机理

1、金属腐蚀的分类

按照金属的腐蚀机理的不同，可以将金属腐蚀分为三类：一是化学腐蚀，二是电化学腐蚀，三是物理腐蚀。

2、金属电化学腐蚀的机理

（1）电化学腐蚀原因

金属的电化学腐蚀往往由于表面不同部位存在电位差而引起的，不同部位构成电池的阳极区和阴极区，从而发生开路条件下的电化学反应。金属表面存在电位差的原因有：①金属表面化学成分不均匀，杂质成分与金属本身的电位不同；

②金属组织不均匀，多相金属材料中晶界的电位通常比晶粒负，多相合金中不同相的电位各不相同；③金属的物理状态不均匀，金属在加工过程中各部分所受的应力和形变不同，通常应力和形变大的部位具有较负的电位；⑷金属表面钝化膜或涂层不完整。由于这些原因，一旦金属与电解质溶液接触或表面潮湿时，就会发生电化学反应。

（2）电化学腐蚀机理

是金属与介质之间发生电化学作用而引起的破坏。反应过程同时有阳极失去电子的阳极反应，阴极获得电子的阴极反应以及电子的流动（电流），其历程服从电化学动力学的基本规律。

绝大多数情况下，由于金属表面组织结构不均匀，上述的一对电化学反应分别在金属表面的不同区域进行在。例如当把碳钢放在稀盐酸中时，在钢表面铁素体处进行的是阳极反应（即Fe→Fe2++2e-），而在钢表面碳化铁处进行的则是阴极去极化反应（即2H++2e-→H2↑）。与这一对电化学反应进行的同时，则有电子不断地从铁素体流向碳化铁。我们把发生阳极反应的区域叫做阳极区，铁素体是阳极；把发生阴极反应的区域叫做阴极区，碳化铁是阴极；而在阳极与阴极之间不断地有电子流动。这种情况和电池的工作情况极为类似，只不过这里的阳极（铁）和阴极（碳化铁）的数目极多，面积极小，靠的极近而已，所以通常称它为腐蚀微电池。

金属的电化学腐蚀之所以采取腐蚀微电池的形式，一方面是由于金属表面存在着各种各样的电化学不均匀性，为电化学反应的空间分离准备了客观条件；另一方面则是由于这两个反应分地区进行时遇到的阻力较小，因而在能量消耗上对反应的进行有利。但是从防止和减少腐蚀的观点看，这当然是不利的，我们应当设法尽量减少或消除金属表面的电化学不均匀性。

电化学腐蚀又根据其电解质溶液酸碱度的不同分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

A、析氢腐蚀:(腐蚀过程中有氢气放出)

腐蚀过程中的阴极上有氢气析出的腐蚀。它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的加工过程中。Fe作为腐蚀电池的阳极,钢铁中较Fe不活泼的其他杂质作阴极,H+在阴极上获得电子发生还原反应。反应方程式如下: 阳极(Fe):Fe—2e-=Fe2+

阴极(杂质):2H+十2e-=H2(g)

总反应:Fe十2H+=Fe2++H2(g)

B、吸氧腐蚀(腐蚀过程中消耗氧)

在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在阴极上得到电子被还原生成OH-的腐蚀。它常常是在中性、碱性或弱酸性的介质中发生的。大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式是吸氧腐蚀。反应方程式如下:

阳极(Fe):Fe-2e-=Fe2+

阴极(杂质):O2十2H20十4e-=40H-

总反应:2Fe十O2十2H20=2Fe(OH)2

Fe(0H)2将进一步被O2所氧化,生成Fe(OH)3并部分脱水为疏松的铁锈。

4Fe(OH)2十O2十2H20=4Fe(OH)3=Fe203·xH20(铁锈)

析氢腐蚀的水膜常呈酸性,而吸氧腐蚀水膜呈中性或酸性很弱或碱性。通常两种腐蚀同时存在,但后者更为普遍,吸氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。

（二）金属电化学腐蚀的防护

金属的防腐蚀过程目前分为三大类：金属的阳极保护；金属的阴极保护；以及金属表面的非金属涂装保护。金属的阳极保护是指在某种金属表面镀覆一种电极电位较低的金属材料，在腐蚀环境中电位较低的金属材料首先被腐蚀而起到一种保护作用（如：钢铁表面镀覆金属锌）；金属的阴极保护是指在金属表面镀覆一种电位较高的耐腐蚀金属材料，在腐蚀环境中将低电位金属完全包覆，把低电位金属与腐蚀性物质隔绝开来（如：钢铁表面镀铜）；

1、阴极保护

阴极保护是在被保护的金属表面通入足够大的阴极电流，使其电位变负，从而抑制金属表面上腐蚀电池阳极的溶解速度。

未进行阴极保护时，金属M以腐蚀电位E

cr 、腐蚀电流i

cr

被腐蚀，加入阴极

电流后，发生阴极极化的结果使得金属的电位从E

cr 移至E

c

，此时总的阴极极化

电流由两部分组成，一部分是由腐蚀电池形成的，另一部分是外加的。此时腐蚀仍然没有完全停止下来，只不过腐蚀速度变小了。当外加电流足够大，使金属的电位移至E

e，A

，即金属M的平衡电位时，腐蚀电流变为零，腐蚀完全被抑制。使金属完全得到保护的最小电流密度称为最小保护电流密度，相应的电位称为最小保护电位。阴极保护的电位不是越负越好，过负的阴极电位对腐蚀控制无实际意义，同时也会浪费电源，还可能会引起氢脆腐蚀。[1]