腐蚀与防护 第五章

C
钝化(Fe2O3)
A
钝化(Fe 3
O 4
)
B Fe稳定
HFeO2−
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Fe-H2O体系的电位-pH图
阳极保护法与阴极保护法比较
阳极保护法
易钝化的金属 弱~强腐蚀介质中均可采用
阴极保护法
所有金属材料 弱~适中腐蚀介质中采用
5.3 表面涂层保护
（surface coating protection）
裂，从而造成安全事故；若一端封闭则锌液流通不畅，易在管内积存。）
（4）表面合金化（surface alloying）
表面合金化（扩散镀、渗镀）是指利用热扩散 的方法，将其它金属或非金属渗入被保护金属 内部形成表面合金层的工艺。
渗镀层的特点：
①渗镀层与基体结合牢固，不易脱落(最突出的特点); ②渗镀层均匀，消耗金属材料较少； ③需要高温加热，可能引发各种缺陷。
第5章 材料的防护
（material protection）
5.1 金属的缓蚀 5.2 电化学保护 5.3 表面涂层保护
材料防护是材料与环境发生界面反应而引起的破坏。 防止材料腐蚀可以从材料本身、环境和界面三方面考虑。
正确选用耐蚀材料 合理的结构设计 防护技术 腐蚀环境的改善 电化学保护 表面防蚀处理
限制使用条件：①有盐酸介质腐蚀的工况；②有露点腐蚀的 气体介质工况；③pH值超过12的碱性介质腐蚀的工况。
（5）热喷涂（hot spraying）
热喷涂是指将喷涂材料在喷枪里熔化或软化，然后 以粒状形式高速射向工件，形成涂层的工艺。
火焰喷涂（flame spraying） 爆炸喷涂（explosive spraying） 电弧喷涂（electric arc spraying） 等离子喷涂（plasma spraying） 激光喷涂（laser spraying）
5.2.1.2 外加电流阴极保护法（最经济、最有效）
(impressed current cathodic protect辅助 阳极
外加电流阴极保护法示意图
应用：闸门、地下金属结构、受海水及淡水腐蚀的设 备、化工厂一些装酸性溶液的容器及管道等的防护。
外加电流阴极保护法与牺牲阳极法的比较
（1）电镀（electric plating）
E R
阳
阴极 阳
极
工件 极
电解液
电镀装置示意图
电镀的优点： ①可沉积的金属及合金品种多； ②镀层厚度可控，镀层均匀、致密； ③一般无需加热或加热温度不高； ④镀液简单易于控制，工艺成熟； ⑤价格低廉。
电镀的缺点： ①一般只适于较小部件； ②镀层与基体结合力不好； ③只能对导电材料进行电镀。
5.1.2 缓蚀剂的分类
5.1.2.1 按缓蚀剂的作用机理分类
阳极型缓蚀剂（anode inhibitor） 阴极型缓蚀剂（cathode inhibitor） 混合型缓蚀剂（mixed inhibitor）
(1)阳极型缓蚀剂 — 危险的缓蚀剂
εa
加入缓蚀剂
−ε
未加缓蚀剂
εc
I2
I1 I
阳极型缓蚀剂大部分是氧化剂，如过氧化 氢、重铬酸盐、亚硝酸盐等。
渗铝是金属材料表面化学热处理的一种方法，是把钢或介质 加热到一定温度使铝原子渗入并扩散到钢材基体内的过程。 渗铝可在碳钢、低合金钢及高铬镍合金钢基体上进行。 优点：在其表面形成的铁铝合金层可以提高材料的抗高温氧 化性能和耐腐蚀性能。 缺点：渗铝层的塑性低、容易剥落；使用温度不能太高
(<900℃)。
} 氧化型缓蚀剂（oxidation inhibitor） 覆盖膜型
沉淀型缓蚀剂（precipitated inhibitor） 缓蚀剂 吸附型缓蚀剂（absorption inhibitor）
5.1.2.3 按化学成分分类
{ 无机缓蚀剂（inorganic inhibitor）→形成钝化膜 有机缓蚀剂（organic inhibitor）→发生吸附
5.1 金属的缓蚀
（ inhibition of metallic corrosion）
使用缓蚀剂进行金属防护的特点： （1）不改变金属构件的性质和生产工艺； （2）用量少（质量分数在0.1%~1%之间）； （3）方法简单，无需特殊的附加设备。
5.1.1 缓蚀剂（Corrosion Inhibitor）
爆炸喷涂是利用氧和可燃性气体的混合气体， 经点火后在喷枪中形成爆炸高温，加热喷涂材 料，并利用爆炸波产生的高压，把喷涂材料高 速地喷向基体表面而形成涂层。
爆炸喷涂的特点：
涂层非常致密，气孔率很低，与基体结合性强， 表面平整。但其设备价格高、噪音大。
爆炸喷涂示意图
③电弧喷涂（electric arc spraying） 电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电 弧，电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化，熔化部 分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层.
化学镀的缺点： 镀液稳定性差，使用寿命较短，镀种较少且成本较高。
化学镀试验装置图
鳞片石墨基复合导电填料的背散射电子像
（3）热镀（hot-dip）
热镀（热浸镀）是指把工件浸入熔融金属中，以获得 金属涂层的工艺。
缺点：镀层较厚且不均匀，金属消耗量较大，只适 用于获得低熔点金属涂层（如Zn、Sn、Al等）。
5.2 电化学保护
（electrochemical protection）
电化学保护是指通过施加外加电动势将被保护金属的 电位移向免蚀区或钝化区，以降低腐蚀速度的方法。
{阴极保护（cathodic protection） 阳极保护（anodic protection）
5.2.1 阴极保护（cathodic protection）
缓蚀剂（腐蚀抑制剂、阻抑剂）是一种当它以 适当的浓度和形式存在于环境（介质）时，可 以防止或减缓腐蚀的化学物质或复合物质。
缓蚀剂的作用：增加金属表面上钝化膜的 稳定性和有利于受损钝化膜的再钝化。
缓蚀效率（简称缓蚀率）Z ：
Z = v0 − v × 100 % v0
（v0—未加缓蚀剂时金属的腐蚀速度； v—加缓蚀剂时金属的腐蚀速度）。
相对于传统的水电镀，真空电镀具有以下优点：
①沉积材料广泛：可沉积铝、钛、锆等水电镀无法沉积的低 电位金属； ②节约金属材料：由于真空涂层的附着力、致密度、硬度、 耐腐蚀性能等相当优良，沉积的镀层厚度可以远远小于水电 镀镀层，达到节约的目的； ③无环境污染：由于所有镀层材料都是在真空环境下沉积在 工件表面，没有溶液污染，所以对环境的危害相当小，能实
最小保护 电流密度
ε/ V
2
εD
Fe3+ 1
ε0.77C1
Fe2+ 0
εA
-0.473
ε-B1
D
FeO42−
C
钝化(Fe2O3)
A
钝化(Fe 3
O 4
)
B Fe稳定
HFeO2−
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Fe-H2O体系的电位-pH图
5.2.2 阳极保护（anodic protection）
是将需电镀的产品放入化学电镀液中进行电镀。 因其工艺较简单，从设备到环境得要求均没有真空电镀苛 刻，从而被广泛应用。 但只能镀ABS料和ABS+PC料（其效果也不是很理想）。
{水电镀 真空电镀
是在真空状态下将需要涂覆在产品表面的膜层材料通过 等离子体离化后沉积在工件表面的表面处理技术。 一般适用范围较广，如ABS料、ABS+PC料、PC料。
现清洁生产。 由于获得真空和等离子体的仪器设备精密昂贵，而且沉
积工艺还掌握在少数技术人员手中，没有大量被推广，其投 资和日常生产维护费用昂贵。但是随着社会的不断进步，真 空电镀的优势会越来越明显，将逐渐取代传统的水电镀！
（2）化学镀（chemical/electroless plating）
化学镀是指不使用外加电源，而采用化学方法使金属 离子在被保护金属上沉积，形成金属镀层的方法。
{置换化学镀 →镀层薄；镀层与基体结合力不好。 氧化-还原化学镀 →应用较多。 铁上镀铜：Fe + Cu 2+ → Cu + Fe2+ 镀镍：Ni2+ + H 2PO2− + H 2O → Ni + H 2PO3− + 2H +
与电镀相比，化学镀有许多优点：
①化学镀不需要电源和辅助电极； ②化学镀层与基体的结合力一般均优于电镀； ③化学镀特别适合于形状复杂及不规则工件表 面的施镀； ④化学镀可以在非金属表面上进行（化学镀是 非金属表面金属化的常用方法）。
①火焰喷涂（flame spraying）
火焰喷涂是利用氧和可燃性气体的燃烧火焰，把焊 丝、焊棒或粉末状的喷涂材料加热，使其在熔融或接 近熔融的状态下喷向基体材料表面而形成涂层。
火焰喷涂的特点： 设备简单，工艺成熟，操作灵活，投资少，见效快。
线材或棒材气体火焰喷涂示意图
粉末气体火焰喷涂示意图
②爆炸喷涂（explosive spraying）
5.1.2.4 按使用时相态分类
气相缓蚀剂（gas inhibitor） 液相缓蚀剂（liquid inhibitor） 固相缓蚀剂（solid inhibitor）
5.1.2.5 按用途分类
冷却水缓蚀剂（cooling water inhibitor） 锅炉缓蚀剂（boiler inhibitor） 石油化工缓蚀剂（petrochemical inhibitor） 油（气）井缓蚀剂（oil (gas) well inhibitor）
(2)阴极型缓蚀剂 — 安全型缓蚀剂
εa
加入缓蚀剂
−ε
未加缓蚀剂