金属材料的腐蚀与防护

金属材料的腐蚀与防护

摘要：扼要介绍了金属的腐蚀机理，腐蚀发生的原因。金属的腐蚀现象和机理比较复杂，但可以通过合理地选用材料、有效地采取防腐蚀措施来减缓金属材料的腐蚀速度，这对于延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产率都具有十分重要的意义。

关键词：金属材料;腐蚀;防护

钢铁生锈、铜器泛绿、银具变黑等都是材料(通常是指金属)及其结构物，制件与其所处环境介质之间的化学反应或电化学反应所引起的破坏或变质。这类破坏或变质被称之为材料的腐蚀。腐蚀科学则是一门涉及化学、物理、冶金学、表面科学、力学、机械学和生物学等多学科的应用科学。金属的腐蚀严重破坏了国民经济和国防建设，研究金属的腐蚀这门科学对于提高国民经济和加强国防建设都有重要的意义。

1 金属材料的腐蚀机理

1.1金属腐蚀的分类

按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程[1]

1.2金属腐蚀的发生

自然界中只有极少数金属（例如金、铂等）能以游离状态存在，而大多数金属都需要从它们的矿石中用不同的能量冶炼出来。因此，从热力学观点来看，金属的腐蚀是很自然的事。金属受周围介质的化学及电化学作用而被破坏，这种现象叫做金属的腐蚀。由于腐蚀导致的金属破坏都从表面开始，而破坏的程度，一般来说也是表面最大。在液态和固态电解质中腐蚀过程是电化学过程。因此，腐蚀能否进行取决于金属能否离子化，而金属离子化的趋势可以用电极电位（E）表示。

金属在电解质中的腐蚀是一种电化学变化[2]，它的进行依照法拉第定律及欧姆定律，△W=（Ec－Ea）te/(96500AR) 式中，e为常数，如粗略地认为R不变时，则腐蚀速率（△W/t）与（Ec－Ea）成正比，而与A成反比。（Ec－Ea）因极化关系有所变化，因此腐蚀率也会随时间变化；阳极面积（A）较小时，腐蚀率将会随着提高。金属腐蚀时，阳极释放电子的阳极过程和阴极获得电子的阴极过程是在同一金属表面进行的。

2 金属防护的方法

2.1改善金属的环境

改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质(称缓蚀剂)来减少和防止金属腐蚀。

2.2在金属表面形成保护层

在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法[3]。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。该法就是使金属表面形成转化层和加上一层坚固的保护层，达到隔离大气保护金属的目的.如对金属表面实施电镀、化学镀以及氧化、磷化处理等，可使金属表面覆盖一层耐腐蚀的保护层;也可以对金属表面氮化。渗铅、渗铬等使金属表面合金化；再有，可采用涂料保护法，即对金属涂防锈材料如油漆，防锈油脂，塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷等.这些方法在国内外均广泛有效地被使用着。

2.2.1金属的磷化处理

钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理[4]。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为5～20μm，在大气中有较好的耐腐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。

2.2.2金属的氧化处理

将钢铁制品加到NaOH和NaNO2 的混合溶液中，加热处理[5]，其表面即可形成一层厚度约为0.5～1.5 μm的蓝色氧化膜(主要成分为FeO )，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度，故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。

2.2.3非金属涂层

用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂油漆，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等)喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁、色泽艳丽，兼具防腐蚀与装饰的双重功能。搪瓷是含SiO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。

2.2.4金属保护层

金属保护层是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金属是低熔点金属，如Zn、Sn、Pb和Al等。热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝，应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器；热镀铅主要用于化工防腐蚀和包覆电缆；热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化等。金属表面保护层的要求薄薄的一层涂料不可能起到绝对的屏蔽作用。因为高聚物都具有一定的透气性，其结极气孔比水和氧分子直径大，所以涂层很薄时，它们可以自由通过。为了提高涂层的抗渗性，除了选用透气性小的成膜物质和屏蔽性小的固体膜料，同时应增加涂覆层数，以使涂层达到一定厚度且致密无孔，达到涂层硬度高，耐磨。即使组成相同，在一层之内，干燥之后往往表面与内部并不完全相同，因此每层之间必须充分附着，形成均匀密合的整体。增强涂层与基体金属的附着力，可以长时间维持金属不受腐蚀。因此金属表面保护层要求: (1)涂层(镀层)致密、完整无孔，不透介质; (2)与基体金属结合牢固，附着力强; (3)硬度高，耐磨; (4)在金属表面分布均匀。

2.3电化学保护法

电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。

2.3.1牺牲阳极保护法

牺牲阳极保护法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件和防止巨型设备(如贮油罐)以及石油管路的腐蚀。

2.3.2阳极保护法

所谓阳极保护法是指金属在电解质溶液中，给予一定量的阳极电流.使在金属表面形成一层耐腐蚀性能很高的钝化膜，然后再通以较少量的阳极电流就能维持这层钝化膜的存在，像这种防止金属在电解质溶掖中腐蚀手段，称为阳极保护.阳极保护法是一门新型防腐蚀技术，国外从60年代才开始应用，目前也主要用于硫酸、磷酸、有机酸、氨水等简单设备的防腐。我国从70年代开始也开展了这方面的应用并取得了一定成果，如福建某化工厂小氨分厂的碳化塔冷却水箱实施阳极保护，冷却水箱使用寿命延长3倍以上.由于阳极保护难以控制金属在介质中的电极电位，该技术的推广应用还受到一定限制.

2.3.3 阴极保护法