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金属的电化学腐蚀与防护
摘要：金属腐蚀是自发的普遍存在的一种现象，它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，本文主要介绍了金属电化学腐蚀机理，以及金属防腐方法。

关键词：金属、腐蚀机理、防腐蚀
一、前言
金属材料的腐蚀，是指金属材料和周围介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。

对于金属而言，在自然界大多是以金属化合物的形态存在。

从热力学的观点来看，除了少数贵金属(如金、铂等)外，各种金属都有转变成离子的趋势。

因此，金属元素比它们的化合物具有更高的自由能，必然有自发地转回到热力学上更稳定的自然形态——氧化物的趋势。

电化学保护是指在电化学腐蚀系统中，通过施加外加电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区，以降低金属腐蚀程度，这是一项经济而有效的腐蚀控制措施。

在一定条件下，电化学保护不仅能防止金属在海水、土壤或化工介质中的腐蚀，而且还能防止金属发生全面腐蚀和局部腐蚀。

若将电化学保护与涂料、缓蚀剂联合起来，可取的更好的防止金属腐蚀的效果。

目前电化学保护技术已广泛应用于造船、海洋工程、石油和化工等部门，并作为一种标准的防腐蚀措施列入规范与法规之中。

由于金属材料的腐蚀可造成设备的跑、冒、滴、漏，污染环境，甚至发生中毒、火灾、爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，因此腐蚀的防护成为急需发展的学科,研究金属材料的腐蚀机理，弄清腐蚀发生的原因及采取有效的防护措施，对于延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产力都具有十分重大的意义。

二、金属的电化学腐蚀机理
1、腐蚀概念
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。

2、电化学腐蚀机理
反应过程同时有阳极失去电子的阳极反应，阴极获得电子的阴极反应以及电子的流动，其历程服从电化学动力学的基本规律。

绝大多数情况下，由于金属表面组织结构不均匀，上述的一对电化学反应分别在金属表面的不同区域进行在。

例如当把碳钢放在稀盐酸中时，在钢表面铁素体处进行的是阳极反应（即Fe→Fe2++2e-），而在钢表面碳化铁处进行的则是阴极去极化反应（即2H++2e-→H2↑）。

与这一对电化学反应进行的同时，则有电子不断地从铁素体流向碳化铁。

我们把发生阳极反应的区域叫做阳极区，铁素体是阳极；把发生阴极反应的区域叫做阴极区，碳化铁是阴极；而在阳极与阴极之间不断地有电子流动。

这种情况和电池的工作情况极为类似，只不过这里的阳极（铁）和阴极（碳化铁）的数目极多，面积极小，靠的极近而已，所以通常称它为腐蚀微电池。

金属的电化学腐蚀之所以采取腐蚀微电池的形式，一方面是由于金属表面存在着各种各样的电化学不均匀性，为电化学反应的空间分离准备了客观条件；另一方面则是由于这两个反应分地区进行时遇到的阻力较小，因而在能量消耗上对反应的进行有利。

但是从防止和减少腐蚀的观点看，这当然是不利的，我们应当设法尽量减少或消除金属表面的电化学不均匀性。

电化学腐蚀又根据其电解质溶液酸碱度的不同分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

A、析氢腐蚀:(腐蚀过程中有氢气放出)
腐蚀过程中的阴极上有氢气析出的腐蚀。

它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的加工过程中。

Fe作为腐蚀电池的阳极,钢铁中较Fe不活泼的其他杂质作阴极,H+在阴极上获得电子发生还原反应。

反应方程式如下:
阳极(Fe):Fe—2e-=Fe2+ 阴极(杂质):2H+十2e-=H2(g) 总反应:Fe十2H+=Fe2++H2(g)
B、吸氧腐蚀(腐蚀过程中消耗氧)
在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在阴极上得到电子被还原生成OH-的腐蚀。

它常常是在中性、碱性或弱酸性的介质中发生的。

大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式是吸氧腐蚀。

反应方程式如下:
阳极(Fe):Fe-2e-=Fe2+ 阴极(杂质):O2十2H20十4e-=40H-
总反应:2Fe十O2十2H20=2Fe(OH)2
Fe(0H)2将进一步被O2所氧化,生成Fe(OH)3并部分脱水为疏松的铁锈。

4Fe(OH)2十O2十2H20=4Fe(OH)3=Fe203·xH20(铁锈)
三、金属的电化学防腐蚀
金属的电化学防腐蚀主要措施有：
1、电化学保护
电化学保护分为阴极保护法和阳极保护法。

阴极保护法是最常用的保护方法，又分为外加电流和牺牲阳极。

其原理是向被保护金属补充大量的电子，使其产生阴极极化，以消除局部的阳极溶解。

适用于能导电的、易发生阴极极化且结构不太复杂的体系，广泛用于地下管道、港湾码头设施和海上平台等金属构件的防护。

阳极保护法是在被保护金属表面通入足够大的阳极电流，使电位变正进入钝化区、腐蚀速度大大降低的方法。

阳极保护法的原理是利用外加阳极极化电流使金属处于稳定的钝态。

阳极保护法只适用于具有活化-钝化转变的金属在氧化性介质( 如硫酸、有机酸) 中的腐蚀防护。

在含有吸附性卤素离子的介质环境中，阳极保护法是一种危险的保护方法，容易引起点蚀。

2、金属表面处理
（1）非金属保护层
在金属表面涂上油漆、搪瓷、塑料、沥青、高分子材料等,使金属与腐蚀介质隔开,可达到防蚀的目的。

用塑料(如聚乙烯,聚氯乙烯,聚氨脂等)喷涂金属表面,比喷漆效果更佳。

塑料这种覆盖层致密光洁,色泽鲜艳,兼具防蚀与装饰的双重功能。

（2）金属保护层
这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，前一种金属称为镀层金属。

常用的形成金属保护层的方法包括电镀、热镀、热喷渡、化学镀、渗渡等。

电镀是用直流电从电解液中析出金属,并在物件表面沉积而获得金属覆盖层的方法。

金属覆盖层多为纯金属铬、镍、金、铂、银、铜、锡、铅、钴、锌、镉等以及某些合金如锡青铜、黄铜等。

热镀又称热浸镀,是将被保护金属制品浸在熔融金属中,使其表面形成一层保护性金属覆盖层,选用的金属一般是低熔点耐蚀耐热的金属,如Al、Zn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。

热喷镀是利用气体燃烧、爆炸或电能做热源,将丝状或粉状金属加热至融化或半融化状态,并以高速喷向零件表面,从而形成一层具有特殊性能的涂层,常用的材料是Al、Zn、不锈钢等。

金属接触环境使用之前
先经表面预处理，用以提高材料的耐腐蚀能力．
例如，钢铁部件先用钝化剂或成膜剂( 铬酸盐、磷酸盐等) 处理后，其表面生成了稳定、致密的钝化膜，抗蚀性能因而显著增加。

3、缓蚀剂法
在腐蚀介质中添加一种在很低的浓度下能抑制金属在腐蚀介质中破坏过程的物质(称缓蚀剂)的防蚀方法叫做缓蚀剂法。

把少量的缓蚀剂(如万分之几)加到腐蚀性介质中，就可使金属腐蚀的速率显著的减慢。

这种用缓蚀剂来防止金属腐蚀的方法是防腐蚀中应用得最广泛的方法之一。

电化学腐蚀的速率是由阳极过程和阴极过程的极化特征所决定的。

只要加入的缓蚀剂能够抑制上述过程中的一种或二种，腐蚀速率就会降低。

4、研制开发新的耐腐蚀材料
研制开发新的耐腐蚀材料如特种合金、新型陶瓷、复合材料等来取代易腐蚀的金属。

5、改善腐蚀环境
如干燥气体封存和密封包装等。

四、结语
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。

因此，腐蚀的防护成为急需发展的学科，研究开发新的特种合金、新型陶瓷、复合材料等耐腐蚀材料，是从根本上治理腐蚀问题的最好途径，有待材料工作者共同努力。

五、参考文献
[1]傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学（4版、下册）.北京：高等教育出版社，1990：687
[2]黄永昌《金属腐蚀与防护》上海交通大学出版社1999
[3]朱相荣，王相润《金属材料的腐蚀与防护》北京：石油工业出版2001
[4]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
[5]赵麦群，雷阿丽.金属的腐蚀与防护/国防工业出版社,2002
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