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金属表面防护技术

前言

众所周知，钢铁零件的失效形成主要有以下几种：弹性或塑性变形、磨损、断裂和腐蚀。据资料报道，过早失效破坏中约有70%是由腐蚀和磨损造成的，全世界每年生产的钢铁约有1/10因腐蚀而变为铁锈，钢铁零件或设备因腐蚀而损坏约占30%，如此，不仅浪费了材料，还常常会带来停产、人身安全和环境污染等事故。表1是世界上几个主要工业发达国家的统计数字，这些国家每年由于金属腐蚀造成的直接经济损失约占国民总产值的2~4%，可见数字是惊人的。

金属腐蚀的定义：金属由于和外围介质发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做腐蚀。

钢铁及其合金属黑色金属，此类黑色金属占金属总产量的90%以上，其腐蚀产物主要是能用肉眼观察到的附着在表面的棕黄或棕红色的锈，因此，钢铁类金属及其制品在大气中的腐蚀又称锈蚀。金属在高温下腐蚀称为氧化，其腐蚀产物是氧化皮，如热轧钢板和棒料、锻件、热处理后的表面氧化皮等到。在酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质中引起的金属破坏仍称为腐蚀。通常腐蚀与锈蚀无严格区别，金属生锈就是腐蚀。

腐蚀的分类

（一）按环境分类

1．湿蚀：水溶液腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀、化学药品腐蚀；

2．干蚀：高温氧化、硫腐蚀、氢腐蚀、液态金属腐蚀、熔盐腐蚀；

3．微生物腐蚀：细菌腐蚀、真菌腐蚀、硫化菌腐蚀、藻类腐蚀等。

（二）按腐蚀产物的破坏形式分类

1．全面腐蚀：均匀或不均匀的分布于整个金属表面；

2．部腐蚀：孔蚀、点蚀、斑蚀、颖隙腐蚀、丝状腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、冲刷腐蚀、湍流腐蚀、气蚀等。

（三）按腐蚀的机理分类

1．化学腐蚀：O2、H2S、SO2、C12、酸气等腐蚀，高温氧化，在非电解质液体——酒精、苯、汽油、煤油、润滑油等中的腐蚀；

2．电化学腐蚀：

（1）微电池腐蚀

（2）原电池腐蚀：电偶腐蚀、杂散电流腐蚀、浓差电池腐蚀。

如：潮湿空气中的大气腐蚀，酸、碱、盐溶液和海水中腐蚀，土壤腐蚀，不同金属接触处的腐蚀，其它电解质溶液中的腐蚀。

影响金属锈蚀的主要因素

（一）金属锈蚀的内部因素

从热力学角度而言，金属和它的腐蚀产物相比，具有较高的能量，是不稳定的，有自发的向低能量的腐蚀产物转化的趋势，即金属发生锈蚀是自然现象。工业中绝大多数的金属是多组分的合金，金相组织不同、含有杂质、机加工变形不均匀、应力分布不均匀等，这些物理的、化学的和电化学的不均匀性，当表面遇到腐蚀介质或表面形成水膜，不可避免地会发生化学或电化学腐蚀。

（二）金属腐蚀的外部因素

1．相对温度的影

空气中相对湿度越高，金属表面水膜越厚，空气中的氧透过水膜到金属表面作用。相对湿度达到一定数值时，腐蚀速度大幅上升，这个数值称为临界相对湿度，钢的临界相对湿度约为70%。

2．温度的影响

环境温度与相对湿度关联，干燥的环境（沙漠）下，气温再高金属也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时，温度的影响明显加剧，温度每增加10℃，锈蚀速度提高两倍。因此，在湿热带或雨季，气温越高，锈蚀越严重。

3．氧气的影响

用下列反应式表示生锈过程：

Fe+H2O→Fe（OH）2

Fe（OH）2+ H2O+O2→Fe（OH）3

Fe+ H2O+O2→Fe（OH）3

可见没有水和氧气，金属就不会生锈，空气中20%体积是氧气，它是无孔不入的。

4．大气其它物质的影响

大气中含有盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘时，会加速腐蚀，因此，不同环境下受腐蚀的大小差别是明显的，城市高于农村；工业区高于生活区；沿海高于内陆；高粉尘高于低粉尘。

（三）加工过程中的锈蚀因素

原材料已锈蚀，加工后未能完成去除；加工中接触了切削液，润滑剂等工艺材料；酸洗后中和清洗不当；热处理氧化脱碳或残盐清洗不净；检查、搬运和装配时操作者留下的手汗；去应力或去氢退火不当；工序间和封存防锈不适宜等。

防止金属生锈的主要方法

（一）选择耐蚀材料

主要是采用有色金属合金和不锈钢。

（二）金属表面预制金属（合金）或非金属覆盖层

1．转化膜：发黑（发蓝）、磷化、阳极氧化；

2．表面合金化：渗氮、渗锌、渗硅、渗铝、渗铬等；

3．金属覆盖层：电镀金属、喷涂金属、热浸镀、化学镀等；

4．非金属覆盖层：搪瓷、陶瓷、油漆、塑料、橡胶等；

5．涂覆防锈材料：防锈水、切削液、气相缓蚀剂、可剥塑料、防锈油、防锈脂等。

（三）阴极保护法

以牺牲阳极而保护阴极的电化学法。如在海水中，以镁块作阳极与钢板联在一起，通以电流使钢板变成阴极得以保护。地下管道和化工设备，也是外另一个阳极并通电使钢件（阴极）得到保护。

（四）控制环境防蚀

1．采用除湿机和加湿降低温度，相对湿度控制在低于60~70%，金属锈蚀减慢；相对湿度低于60%时，非金属不会发霉变质；

2．充氮或真空包装封存可延缓锈蚀；

3．包装内置缓蚀剂；

4．钢铁制品在电炉加热（高温）时，炉内形成保护气氛或真家加热。

综上所述，防止金属锈蚀的方法很多，应考虑诸多因素后判断选择，如：零件的工作环境、零件的服役条件、生产的安全性、对环境的污染程度、制造成本等。

二、常用的几种表面防护技术

（一）电镀

采用电解的方法在基体（经过前处理）表面沉积所需要的覆盖层的过程称为电镀。电镀是非常古老的传统技术，广泛应用于永久性的装饰和防护。电镀可以分为单金属电镀，多层组合电镀，以及合金电镀等。影响镀层质量的因素很多，如：镀前处理、镀液的净化方式和程度、予镀方式的合理性、镀液体系建立、组合及厚度的确定、工艺参数（PH值、温度、电流密度）、添加剂（光亮剂、整平剂、除应力剂、润湿剂、分散剂）、镀液分析及补充制度、操作制度、镀后处理（去氢、封闭）等。由于电镀三废对环境污染和影响健康，各地环保部门管理日趋严格，很多企业自己不设电镀车间，而是去专业厂（车间）委托加工。为确保电镀件的质量，应依据有关标准和规定对镀层的外观、结合力、厚度、孔隙率、耐蚀性等提出具体的要求。一旦验收时或使用中出现质量问题，便于质量事故分析和改进。

（二）氧化

氧化处理分为黑色金属氧化处理和有色金属氧化处理两类，这里仅涉及前者。

钢铁及合金的氧化处理，又称发蓝或发黑处理。由于其成本低、效率高、收效快、工艺稳定、操作方便、设备简单，使用范围十分广泛。

1．碱性化学氧化法

碱性氧化法是最常用的方法，它是在较高温度下，在含有一定氧化剂的氢氧化钠溶液中进行。氧化剂和氢氧化钢与金属铁发生化学反应，最终形成氧化铁（Fe3O4）为主要成分的氧化膜。膜的颜色取决于零件的表面状态、合金成分和氧化处理的工艺条件，一般为黑色或兰黑色。膜厚0.6~0.8um.

化学反应的顺序是无形成亚铁酸纳（Na2Fe02）和铁酸纳（Na2Fe204），然后由亚铁酸钠与铁酸钠反应形成Fe304氧化膜。反应式如下：

3Fe+Na02+5Na0H→3Na2Fe02+H20+NH3↑

6Na2Fe02+NaN02+5H20→3Na2Fe204+7Na0H+NH3↑

Na2Fe02+Na2Fe204+2H20→Fe304+4Na0H

(1)碱性氧化法溶液配方及工艺规范