铁金属腐蚀及防腐处理

铁金属在大气中的腐蚀及原理

铁金属在大气中的腐蚀及原理

摘要：本文根据铁的化学性质、大气的成分，结合所学的化学知识，分析了铁在空气中氧化腐蚀过程和原理，探讨了在大气中影响铁及合金的主要因素。

关键词：铁金属氧化腐蚀大气

1 引言

众所周知，各种金属工程材料都有一定的使用寿命。这是由于它们在使用或存放的过程中都会受到不同形式的直接或间接的损坏，如最常见的氧化腐蚀现象。

金属腐蚀是多种多样的，习惯上把金属或合金在大气中由于氧、水分及其他物质的作用而发生的腐蚀或变色称为锈蚀，这种腐蚀产物称为“锈”。例如钢铁在潮湿的大气中与氧作用腐蚀生成棕褐色的铁锈，它是一种含水的Fe2O3和FeO的化合物，其化学成份一般式可用χFe2O3•yFeO•zH2O表示。铜氧化腐蚀后表面变绿即铜锈，如青铜器博物馆出土的青铜器，经过2500多年的氧化腐蚀，表面形成的翠绿色物质。

铁及其合金是我们日常生活和建筑工程中使用量最大的金属材料，研究铁在大气环境中氧化腐蚀是铁金属及其合金腐蚀的重要形式，十分必要。

2 大气中的成分

铁容易腐蚀主要因为它是非常活泼的金属元素，易与其他元素反应形成化合物，纯金属铁遇到大气中的氧更容易发生氧化腐蚀，所以我们平常见到的铁制品基本上是褐色。

铁金属氧化的确切定义，可分为狭义氧化和广义氧化两种。

狭义氧化，是指铁与氧气反应生成氧化物的过程。广义氧化，是指铁与含氧、含硫、含卤素、含碳、含氮等其他气体反应生成相应的氧化物、硫化物、卤化物、碳化物、氮化物等化合物的过程。

铁及其合金材料在大气环境中氧化腐蚀的外在因素主要包括以下几个方面：

（1）大气环境介质组分：如气相中的O2、H2O、CO、CO2、H2、N2、NH3、H2S、HCl等。

（2）大气环境介质的状态因素：气体分压、流速、温度、压力、冷热循环等。

（3）氧化—还原循环。

（4）燃烧物与附着物：燃灰等积灰物。

地球表面自然状态的空气叫做大气。大气中的主要成分是氮气、氧气、少量其他气体和一定量的水分。在典型的农村环境中，大气成分接近于自然大气的成分；而在城镇工业环境中还有SO2、H2S、酸、碱、盐挥发物以及粉尘等。

铁金属、合金钢及其构筑物，在其加工制造、贮运和使用过程中都处于大气环境之下。这些铁金属或构筑物在大气环境下发生的氧化腐蚀现象，就叫做大气氧化腐蚀。

3 铁金属在大气环境中氧化腐蚀的历程

铁金属在大气中氧化腐蚀是一个复杂的过程。这里只探讨狭义的铁金属大气氧化腐蚀历程，按其化学反应、电化学反应和扩

散形式有以下三个过程。

铁金属在大气中初期氧化时，当铁金属与氧接触碰撞后，首先是氧分子物理吸附在金属表面上，进而氧分子分解成原子并与金属发生化学反应，以化学键结合，生成一层单分子氧化物，即为金属氧化膜，其后膜的成长则具有电化学反应过程。

另外，如果铁金属的表面在潮湿的大气中会很快吸附一层很薄的湿气层即水膜，当这层水膜达到20～30个分子层厚度时，就变成电化学腐蚀所必须的电解液膜。在潮湿的大气条件下，铁金属的大气腐蚀过程具有电化学腐蚀的本质。

这种电池，铁金属—氧化膜界面作为阳极，其反应：

Fe—→Fe3+ + 3e 或

Fe—→Fe2+ + 2e

铁氧化物膜—气体界面作为阴极，其反应：

½O2 + 2e—→O2-

总反应式：

2Fe +3O2—→Fe2O3或

Fe +½O2—→FeO

此时，铁氧化膜本身是既能电子导电，又能离子导电的半导体，其作用如同电池中的外电路和电解质溶液。在电场作用下，电子可以有金属通过膜传递给膜表面的氧，使其结合电子还原为氧离子，而氧离子和金属离子在膜中又可以进行离子导电，即氧离子网阳极（铁金属与氧化物膜接界处）迁移，而铁离子往阴极（氧化物膜同气体接界处）迁移，两者在氧化膜某处，再进行化

和过程，从而使氧化膜逐渐增厚。

从上述氧化过程来看，氧化膜同时具有以下作用：①离子导体；②电子导体；③氧还原电极；④离子和电子都必须通过的扩散屏障。

铁主要通过Fe离子向外扩散，氧化膜是在膜——气体界面上生长。可是由于铁金属离子向外扩散，造成了铁金属——膜界面处阳离子空穴增多，同时氧化膜内也存在着阳离子空穴，这些空穴不仅可将铁金属离子向外输送，而且也可将氧分子向内输送，于是膜可以在两侧生长，即在膜——气体界面上进行的是铁金属离子和氧离子反应，而在铁金属——膜界面则是由扩散进来的氧分子与铁之间的化学反应。

4 影响铁金属在大气中腐蚀的主要因素

4.1 大气相对湿度的影响

相对湿度表示大气的潮湿程度，一般来说，相对湿度越大，则越可能形成水膜，水膜保持的时间也越长，因此大气腐蚀越容易发生。

4.2 温度和温度变化的影响

在一般情况下，随着温度的升高，可以使阴、阳极反应速度加快，加速了大气腐蚀，单若温度的升高足以使水膜干燥，则也可能降低大气腐蚀速度。

温度变化即温差的存在对大气腐蚀的影响更大些，因为温差的存在会促使水蒸气在铁表面上凝聚形成水膜，造成大气腐蚀的条件。例如，白天温度高，夜晚温度低；有暖气时温度高，停止供

暖时温度低等，用汽油清洗零件以后，由于汽油的挥发吸热使零件温度降低，在这种情况下，都可能使水蒸气在金属表面凝露形成水膜，使腐蚀加速。因此，为了防止大气腐蚀，在保管钢材仓库中，一般都要求在一定温度范围内保持恒温。

4.3 酸、碱、盐和其它气体污染的影响

如果在水膜中含有少量H+离子的话，它在阴极上的析出可加速阴极过程；H+离子还会破坏铁金属表面的钝化膜，因此会加速铁腐蚀。

OH-离子对钢铁的大气影响不大。

水膜中或钢铁金属表面上含有盐类，特别是含有Cl-离子时，由于Cl-离子吸水性强，可增加液膜的导电性，同时还可以破坏氧化膜或钝化膜，因此可使腐蚀速度加快。

气体污染中最具有害的是SO2活H2S。它们可以直接参加阴极反应，使阴极反应加快，同时又可使铁金属表面的钝化膜溶解，使阳极反应易于进行，从而加快了大气腐蚀速度。

4.4 灰尘颗粒的影响

空气中经常含有沙土、煤烟和煤灰、金属氧化物和盐类的颗粒，这些灰尘颗粒颗粒落在铁金属表面会加速腐蚀。这是因为：这些颗粒可造成毛细凝聚的核心，加速形成水膜；有的可吸附SO2等有害气体，这些都会加速铁金属腐蚀。当颗粒比较大时，与铁金属表面形成缝隙，造成缝隙腐蚀。

5 小结

从铁金属氧化腐蚀的历程分析可知，当铁金属与氧的初始作