金属的腐蚀与防护(1)

金属的腐蚀与防护
摘要：金属腐蚀对人类社会产生巨大的危害，对金属材料的腐蚀进行防护是十分必要的。

文章介绍了金属腐蚀的原理和危害以及防护方法，对金属腐蚀防护的方法和重要性进行了详细的阐述。

关键词：金属腐蚀危害分类防护方法
金属材料是现代社会中使用最广泛的工程材料，在人类的文明与发展方面起着十分重要的作用。

人们不仅在工农业生产，科学研究方面用到金属材料，在日常生活中也随处可见，无时无刻不在使用金属材料。

然而这些金属材料都会被腐蚀，给人民的财产造成了巨大的损失。

电化学腐蚀原理
金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。

介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀。

由于金属是电子的良导体，如果介质是离子导体的话，金属被氧化与介质中被还原的物质获得电子这两个过程可以同时在金属表面的不同部位进行。

金属被氧化成为正价离子（包括配合离子）进入介质或成为难溶化合物（一般是金属的氧化物或含水氧化物或金属盐）留在金属表面。

这个过程是一个电极反应过程，叫做阳极反应过程。

被氧化的金属所失去的电子通过作为电子良导体的金属材料本身流向金属表面的另一部位，在那里由介质中被还原的物质所接受，使它的价态降低，这是阴极反应过程。

在金属腐蚀学中，习惯地把介质中接受金属材料中的电子而被还原的物质叫做去极化剂。

经这种途径进行的腐蚀过程，称为电化学腐蚀。

在腐蚀作用中最为严重的是电化学腐蚀，它只有在介质中是离子导体时才能发生。

即便是纯水，也具有离子导体的性质。

在水溶液中的腐蚀，最常见的去极化剂是溶于水中的氧(O2)。

例如在常温下的中性溶液中，钢铁的腐蚀一般是以氧为去极化剂进行的：
在水溶液中电化学腐蚀过程的另一个重要的去极化剂是H+。

在常温下，对铁而言，在酸性溶液中可以以H十离子为去极化剂而腐蚀，其过程是：
阳极：Fe→-Fe2+ +2e
阴极：2H++2e→H2↑
总的反应：Fe+2H+→Fe2++H2↑
2.金属腐蚀的危害：
金属腐蚀的危害首先在于腐蚀造成了巨大的经济损失。

这种损失可分为直接损失和间接损失。

直接损失包括材料的损耗、设备的失效、能源的消耗以及为防止腐蚀所采取的涂层保护、电化学保护、选用耐蚀材料等的费用。

由于腐蚀,使大量有用材料变为废料,估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约为其年产量的30% ,造成地球上的有限资源日益枯竭. 全世界每90s就有1t钢被腐蚀成铁锈,而炼制1t钢所需的能源可供一个家庭使用3个月,因此,腐蚀造成了对自然资源的极大浪费。

因腐蚀而造成的间接损失往往比直接损失更大,甚至难以估计。

这些损失包括因腐蚀引起的停工停产,产品质量下降,大量有用有毒物质的泄漏、爆炸,以及大规模的环境污染等。

一些腐蚀破坏事故还造成了人员伤亡,直接威胁着人民群众的生命安全。

3.金属腐蚀防护的方法：
3.1 改变金属的组成：根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。

这种方法最常见的是不锈钢材料。

通过在钢铁中加入12-30%的金属铬而改变钢铁原有的组成，从而改善性能，不易腐蚀。

如目前迅速发展起来的不锈钢炊具，餐具等就是以此为材料的。

3.2 形成保护层：在金属表面覆盖各种保护层，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。

可以形成以下几种保护层来对金属腐蚀进行防护：
3.2.（1）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。

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蚀性。

3.2.（2）氧化处理：将钢铁制品加到NaOH的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚度约为0.5～1.5μm 的蓝色氧化膜(主要成分为四氧化三铁)，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理。

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。

3.2.（3）非金属涂层：用非金属物质如油漆、喷漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、沥青、高分子材料(如塑料、橡胶、聚酯)等涂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。

3.2.（4）金属保护层：它是以一种耐腐蚀性较强的金属或合金镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。

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。

3.3电化学保护
（1）阳极保护：在防止电化学腐蚀的方法中包括两种当某种金属浸入电解质溶液时，金属表面与溶液之间就会建立起一个电位，腐蚀电化学中把这个电位称为自然腐蚀电位。

不同的金属在一定溶液中的电位是不一样的。

而同一种金属的电位由于其各部分之间存在着电化学中不均一性而造成不同的部位间产生一定电位差值，正是这种电位差值导致了金属在电解质溶液中的电化学腐蚀。

向浸在电解质溶液中的金属施加直流电，金属的自然腐蚀电位会发生变化，这个现象称为极化。

所通电流为正电流时。

金属作为阳极其电位向正方向变化的过程称作阳极极化；反之，通过的电流为负电流时，金属作为阳极其电位向负方向变化的过程称为阴极极化。

把电位与电流密度之间对应的关系画成曲线叫做极化曲线。

具有钝性倾向的金属在进行阳极极化时，如果电流达到足够的数值，在金属表面上能够生成一层具有很高耐蚀性能的钝化膜而使电流减少，金属表面呈钝态。

继续施较小的电流就可以维持这种钝化状态，钝态金属表面溶解量很小从而防止了金属的腐蚀，这就是阳极保护的基本原理。

（2）阴极保护：①外加电流的阴极保护②牺牲阳极的阴极保护
金属的腐蚀是一阳极过程。

因此,防治金属腐蚀的第三大对策就是将金属置于
阴极,即阴极保护法。

阴极保护法具体又分为两种。

其一是将被保护的金属(阴极) 和电极电势较低的金属(作为牺牲性阳极而溶解掉) 接在一起,这也称为牺牲阳极保护法。

比如海上航行的船只,在船底四周镶上锌块,此时,船体是阴极受到保护,
锌块是阳极代替船体而受腐蚀，从而防止了船体受腐蚀。

其二是将被保护的金属接在外加电源的负极上使之成为阴极,正极则接到一些废铁上作为牺牲性阳极或接到某些导体如石墨、高硅铸铁、铅银合金、镀铂钛等上面，作为惰性阳极。

在化工厂中一些装有酸性溶液的容器或管道以及地下的水管或输油管常用这种方
法防腐。

3.4 缓蚀剂法：缓蚀剂是一类能够防止或减缓金属腐蚀的无机物或有机物。

目前应用范围较广,具有用量少、保护效能高、不改变金属制品性能,使用方便等优点。

无机缓蚀剂如铬酸盐、钼酸盐、钨酸盐、亚硝酸盐等。

有机缓蚀剂如炔醇类、羧酸盐类、杂环类、有机磷酸盐类、胺类、醛类等譬如医院中常用&解新洁尔灭和多亚硝酸钠溶液浸泡钢制器械, 以达到消毒和防腐蚀的双重目的。

3.5 寻找新的耐腐蚀替代品：解决金属腐蚀问题的根本方法是研制开发新的耐腐蚀材料,如特种合金、新型陶瓷、复合材料等。

比如实验室中常用铂作坩锅或惰性电极,防腐效果很好,但因其成本太高而不可能在工业上大规模使用。

不锈钢则是便宜得多因而也用得较为普遍。

钛也是一种很好的耐腐蚀金属。

由爆炸焊接新技术制造出的一种钛钢复合材料,既不怕酸、碱、盐等的腐蚀,价格也较低。

化工厂的反应罐、输液管道,用钛钢复合材料来替代不锈钢,使用寿命可大大延长。

科学家研制成功的一种貌似玻璃的透明金属,称“金属玻璃”,它具有很高的抗张强度,还对外界酸碱的侵蚀显现出惊人的抵抗力。

精密陶瓷,已开始在精密机械和化工领域取代金属材料和高分子材料。

在宇航、核能等领域中,工程陶瓷可取代昂贵的耐蚀、耐热合金。

随着科技的进步,新的耐腐蚀材料正层出不穷，将会为防止金属发挥巨大的作用。

随着科学技术的进步,对工业应用材料的要求越来越高,特别是金属材料的防
腐蚀尤其受关注金属腐蚀防护的根本方法是寻找耐腐蚀替代品，所以我们人类应
该把更多的精力放在寻找替代品上。

从而能够避免大量的损失，使金属材料更好
地被人类利用。

我相信，金属腐蚀的防护会得到有效的控制。

【1】俞键.迈向21世纪的腐蚀与防护[J].腐蚀与防护,1996(12):5-9.
【2】吴贤官.材料防腐蚀概论[J].腐蚀与防护,1998(1):44-48.
【3】李金贵.材料表面改性与涂覆技术的新发展[J].腐蚀与防护,1998(2):51-55. 【4】张秋霞主编《材料腐蚀与防护》冶金工业出版社2000年版
【5】钟庆东等.防锈油膜下金属腐蚀的研究方法.MATERIALSPROTECTION.1995,28(12):6-8 【6】陶琦等.金属腐蚀及其防护措施的研究进展.湖南有色金属.2007,23(2):43-46。