金屬腐蝕與防護(hù)教學(xué)研究

金屬腐蝕與防護(hù)教學(xué)研究ent">

摘要本文主要闡述了金屬材料的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的機(jī)理，從而自然而然地闡述了防止金屬材料化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的方法。在教學(xué)中收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞金屬腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕隔離

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

TeachingResearchaboutCorrosionandProtectionofMetals

ZHANGZhengguang

（CollegeofChemistryandLifescience，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang，Hubei443002）

AbstractThispapermainlyexpoundsthemechanismofchemicalcorrosionandelectrochemicalcorrosionofmetalmaterial，cancomeverynaturallytothemethodofpreventingchemicalcorrosionandelectrochemicalcorrosionofmetalmaterials.Itreceivedgoodresultsinteaching.

Keywordsmetalliccorrosion；chemicalcorrosion；electrochemicalcorrosion；insulate

腐蝕是金屬材料與周圍環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)而導(dǎo)致材料的破壞或變質(zhì)。每年腐蝕損失占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2%～4%，發(fā)達(dá)國(guó)家每年腐蝕損失高達(dá)7000億美元。

雖然金屬腐蝕有多種形式，但是，它們的腐蝕機(jī)理是共同的。

一般金屬，例如鐵，由于化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在自然界一般以化合態(tài)存在，通過(guò)金屬冶煉，將其從化合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，例如，冶煉鋼鐵就是用一氧化碳將鐵礦石中的氧化鐵還原為鐵原子。而鐵的腐蝕與鐵的冶煉相反，是將鐵原子氧化為鐵離子，其它金屬的腐蝕都是這個(gè)過(guò)程，即→

這個(gè)過(guò)程又分為兩種情況：

（1）化學(xué)腐蝕

金屬與其周圍的干燥氣體接觸，例如，、、等等；或者與非電解質(zhì)溶液接觸，例如石油，這些非電解質(zhì)溶液里含有硫的化合物。金屬與這些干燥氣體或非電解質(zhì)溶液直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成為氧化態(tài)而被腐蝕了。

（2）電化學(xué)腐蝕

發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必要條件是構(gòu)成原電池，即有正極和負(fù)極，電解質(zhì)溶液，這三者構(gòu)成一個(gè)電路。金屬就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。一般可分為兩種情況：

①析氫腐蝕，以鐵為例。在酸性較強(qiáng)的電解質(zhì)溶液中，鐵原子為負(fù)極，一個(gè)鐵原子失去兩個(gè)電子，成為亞鐵離子，即2=

電解質(zhì)溶液中的兩個(gè)氫離子獲得兩個(gè)電子，成為一個(gè)氫氣分子，在正極上放出，即2+2=

總反應(yīng)為+2=+

②吸氧腐蝕，仍然以鐵為例。電解質(zhì)溶液呈弱酸性或中性，負(fù)極：24=2；正極：+2+4=4。

總反應(yīng)：2++2=

4++2=4

2=·+（）

理解了金屬腐蝕的機(jī)理，還要了解影響金屬腐蝕的主要因素。內(nèi)部主要因素有：（1）金屬的性質(zhì)，金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電位越高，金屬越不容易腐蝕。（2）金屬含有雜質(zhì)，會(huì)降低金屬耐蝕性，但是，加入某些合金元素，可以提高金屬耐蝕性能。（3）金屬組織結(jié)構(gòu)不同，耐蝕性能也不同。（4）金屬受力時(shí)，拉應(yīng)力引起應(yīng)力腐蝕；交變載荷引起腐蝕疲勞。（5）在多數(shù)情況下，粗糙的金屬表面比光滑的表面容易腐蝕。

外在因素有：（1）介質(zhì)的酸堿性對(duì)不同金屬有不同的影響。一般是酸性越強(qiáng)，金屬越容易腐蝕。兩性金屬，在酸或堿中都有腐蝕性。鋁在濃硝酸中，表面生成一層致密的氧化膜而耐腐蝕。鉛在稀硫酸中表面生成難溶的硫酸鉛而耐腐蝕。鐵、鎂、鎳、鎘等金屬，表面的保護(hù)膜難溶于堿而溶于酸，在酸中易腐蝕。（2）介質(zhì)中的有害雜質(zhì)，會(huì)加速金屬的腐蝕。（3）金屬在中性鹽溶液的腐蝕，一般是隨濃度增加而加快，達(dá)到一最高點(diǎn)后，又逐漸降低。（4）介質(zhì)的溫度升高，使反應(yīng)速度增加，促進(jìn)溶液的對(duì)流和擴(kuò)散，加快腐蝕速度。（5）壓力的增加，引起設(shè)備的應(yīng)力增加，也會(huì)使氣相介質(zhì)中的一些物質(zhì)溶于液相中，都會(huì)使腐蝕加快。（6）介質(zhì)的流速增加，沖刷金屬表面，破壞金屬表面膜，腐蝕產(chǎn)物脫落，不斷更新金屬表面溶液而使腐蝕加快。

在理解了金屬腐蝕的機(jī)理和了解了影響金屬腐蝕的主要因素基礎(chǔ)上，就容易理解防止金屬材料腐蝕方法了。

從外在因素方面主要方法如下：（1）通過(guò)對(duì)液體加熱除去水中溶解的氧。（2）調(diào)整酸性介質(zhì)中的酸堿度，使溶液呈中性或弱堿性，以降低對(duì)金屬材料的腐蝕性。（3）用各種氣固、液固分離法，脫出介質(zhì)中的固體顆粒，減少磨損腐蝕。（4）在腐蝕性介質(zhì)中添加緩蝕劑。緩蝕劑因氧化作用，使金屬表面鈍化。緩蝕劑能與介質(zhì)中的有關(guān)離子反應(yīng)，并在金屬表面形成防腐蝕的沉淀膜，不過(guò)，該膜致密性較差。緩蝕劑被吸附在潔凈的金屬表面，可以改變金屬的表面性質(zhì)而防止腐蝕。使用更多的是用覆蓋層把腐蝕性介質(zhì)與金屬表面隔離開來(lái)。

涂料覆蓋于金屬表面并能形成牢固附著的連續(xù)薄膜物質(zhì)，把腐蝕性介質(zhì)與金屬表面隔離開來(lái)。其作用主要有三個(gè)：屏蔽作用，涂層將金屬與環(huán)境隔離開；緩蝕作用，涂料內(nèi)部金屬氧化物與金屬反應(yīng)，使金屬表面鈍化，同時(shí)一些油料在金屬皂催化作用下生成降解產(chǎn)物，起延緩金屬基體腐蝕的作用；電化學(xué)保護(hù)作用，涂料中摻入比鐵更活潑的金屬，一旦化學(xué)介質(zhì)穿透涂層接觸金屬，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，比鐵活潑金屬腐蝕，鐵被保護(hù)起來(lái)。

電鍍基于電解原理，將被電鍍金屬置于電解池中，被電鍍金屬與直流電源負(fù)極相連，電解池中含有鍍層金屬離子，在外電流作用下，在被電鍍金屬表面形成與金屬牢固結(jié)合的覆蓋層，可以有效地防止腐蝕。

電泳是把金屬材料浸入含有覆蓋金屬材料表面的金屬微粒的液體介質(zhì)中，例如鎳，然后在金屬材料與液體中的另一電極之間通入直流電，鎳將沉積在金屬材料表面形成覆蓋層。

熱噴涂是將熔融狀態(tài)的金屬霧化，并連續(xù)噴射在金屬制品表面上，例如，將鋅霧化，噴涂在鐵制品表面，形成牢固而致密的覆蓋層。

化學(xué)熱處理是將金屬制品放入含有鍍層金屬或其化合物的粉末混合物或熔鹽浴或蒸汽中，鍍層金屬或其化合物熱分解或還原等析出的金屬原子和非金屬原子，在高溫下，擴(kuò)散于金屬制品中，形成合金或化合物覆蓋層。

磚板襯里是在金屬設(shè)備內(nèi)壁，以耐腐蝕膠泥襯砌磚板，將腐蝕性介質(zhì)與金屬設(shè)備隔離開來(lái)。膠泥起粘接磚板的作用，要注意各種膠泥和各種磚板的性能特征以及具體的腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，將它們的優(yōu)良性能組合起來(lái)，從而達(dá)到真正防止金屬腐蝕的目的。

橡膠耐化學(xué)腐蝕，具有高彈性、耐磨蝕、適應(yīng)交替變形及溫度變化等優(yōu)良特性。選取一定厚度的片狀耐蝕橡膠材料，貼合在金屬設(shè)備內(nèi)壁上，形成連續(xù)完整的保護(hù)覆蓋層。

玻璃鋼襯里是將玻璃鋼糊在金屬設(shè)備的內(nèi)壁上而隔離，其耐腐蝕性取決于該塑料中所用樹脂的耐腐蝕性和施工方法。

聚氯乙烯塑料襯里是將聚氯乙烯塑料固定在金屬設(shè)備內(nèi)壁上而隔離。

用電化學(xué)防止金屬材料腐蝕的很多，只介紹兩種：（1）外加電源法：被保護(hù)設(shè)備接直流電源正極，輔助陰極浸入設(shè)備內(nèi)的電解質(zhì)溶液中，接直流電源負(fù)極。由于外加電源正極遠(yuǎn)高于被保護(hù)設(shè)備材料的電極電位，使被保護(hù)設(shè)備電位升高，產(chǎn)生較大初始電流，迅速達(dá)到設(shè)備的致鈍電流，使被保護(hù)設(shè)備鈍化。（2）外加電流法：被保護(hù)金屬設(shè)備與直流電源負(fù)極相連，依靠外加陰極電流，使設(shè)備負(fù)電性提高，電極電位變負(fù)。設(shè)備上的陰極電流使原來(lái)的腐蝕平衡電流增加，而設(shè)備上的陽(yáng)極電流則減小，即腐蝕速度降低。進(jìn)一步減少陽(yáng)極電流，則可以使設(shè)備終止腐蝕。

大多數(shù)工業(yè)用的金屬及鍍層金屬(如鐵、鋅、鋁、錫、鉛、鎂等及其合金)均可通過(guò)形成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜來(lái)保護(hù)其表面。用于提高耐蝕性的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)主要有鉻酸鹽鈍化和磷化等。其中經(jīng)鉻酸鹽鈍化處理過(guò)的鍍鋅鋼板表面形成一層致密的鉻/基體金屬的混合氧化物膜層，由于該膜層具有自修復(fù)性，因而耐蝕性很高。但鉻酸鹽中六價(jià)鉻屬極毒性物質(zhì)且易致癌，鈍化處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣霧及生產(chǎn)中的廢水排放對(duì)生物體及環(huán)境都有嚴(yán)重危害。因此，取代六價(jià)鉻的無(wú)鉻處理工藝技術(shù)及開發(fā)新的替代性環(huán)境友好型鈍化產(chǎn)品，已成為金屬表面處理業(yè)所共同面臨的難題。

一、無(wú)鉻鈍化處理技術(shù)

1.鉬酸鹽、磷／鉬酸鹽鈍化處理

鉬與鉻同屬ⅥA族，是一種有希望替代鉻酸鹽的物質(zhì)。鉬酸鹽早已廣泛用作鋼鐵及有色金屬的緩蝕劑和鈍化劑。英國(guó)Loughborough大學(xué)的Bijimi等研究了鉬酸鹽鈍化處理過(guò)程中的電化學(xué)特性和鋅表面的化學(xué)浸泡處理。在腐蝕試驗(yàn)中，鉬酸鹽轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性不如鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜。近年來(lái)的研究表明在磷/鉬酸鹽鈍化液中摻雜有機(jī)/無(wú)機(jī)緩蝕劑，能更進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性。宮麗等采用在鉬酸鹽鈍化液中加入適量H3PO4、SiO2、Ti(Ⅳ)鹽等添加劑，對(duì)鉬酸鹽鈍化膜改性的Mo-P-Si-Ti復(fù)合鈍化膜，并討論了鈍化膜的成膜機(jī)理和防蝕機(jī)理。

2.硅酸鹽鈍化處理

硅酸鹽處理具有成本低、鈍化液穩(wěn)定性好、使用方便、無(wú)毒、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但耐腐蝕性能較差。為了增強(qiáng)膜層耐蝕性，鈍化液中常加入一些有機(jī)促進(jìn)劑，如水溶性陰離子型丙烯酸胺、硫脲等化合物。

3.稀土鹽鈍化處理

金屬的稀土鈍化處理方法通常比較簡(jiǎn)單，一般只要將金屬置于含稀土離子的溶液中，浸泡一段時(shí)間（化學(xué)浸泡法）或?qū)⒔饘僮鳛殛帢O通電極化（陰極極化法），便可使金屬鈍化，即在金屬表面形成稀土鈍化膜，鈍化過(guò)程的工藝條件對(duì)稀土轉(zhuǎn)化膜的形成及其性能有很大影響。

（1）化學(xué)浸泡法?；瘜W(xué)浸泡法即將金屬置于含稀土離子的溶液中，浸泡一段時(shí)間完成鈍化的方法。鈍化時(shí)所用的鈍化處理溶液有兩類：一類是單一的稀土鹽溶液(有時(shí)含有NaCl)；另一類是溶液中除含有稀土鹽外，還含有強(qiáng)氧化劑和成膜促進(jìn)劑或輔助成膜劑等添加物。

（2）陰極極化法。陰極極化法是將置于稀土鹽溶液中的金屬工件作為陰極，進(jìn)行陰極極化處理的方法。該方法能在較短時(shí)間內(nèi)使金屬表面形成稀土轉(zhuǎn)化膜。但陰極極化處理時(shí)有氫氣析出，使轉(zhuǎn)化膜出現(xiàn)較多微孔，且與金屬層的結(jié)合強(qiáng)度低，進(jìn)而導(dǎo)致稀土轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性下降。陰極極化法處理后得到的稀土轉(zhuǎn)化膜耐蝕性低于化學(xué)浸泡法，因此陰極極化法應(yīng)用很少。

4.鎢酸鹽、鈦、鋯、鉿系鈍化處理

含鋯溶液代替鉻酸鹽用于鋁基表面的預(yù)處理已被確認(rèn)，鋯基無(wú)鉻鈍化液也可處理鋅基表面，作為涂漆的前處理，而一般不作為最終處理。鋯基無(wú)鉻鈍化液主要含有H2ZrF6，提供Zr和F。另外，常需加入少量的HF。鋯系處理鋁合金的耐腐蝕能力同鉻酸鹽接近。

5.硅烷鈍化處理

硅烷特殊的結(jié)構(gòu)特征決定了它可以與金屬形成Si-O-Me(Me表示金屬)化學(xué)結(jié)合鍵，從而可以提高涂層與金屬基體的化學(xué)結(jié)合力。

以硅烷為主的金屬表面防銹技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)毒、無(wú)污染，適用范圍廣，成本低，防腐效果優(yōu)于傳統(tǒng)的磷化、鈍化工藝，經(jīng)硅烷處理過(guò)的金屬表面對(duì)有機(jī)涂層的膠粘性能優(yōu)異。如能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，必將對(duì)金屬材料表面處理行業(yè)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

二、硅烷偶聯(lián)劑簡(jiǎn)述

偶聯(lián)劑是一種重要的、應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛的處理劑，主要用作高分子復(fù)合材料的助劑。偶聯(lián)劑的種類繁多，主要有硅烷偶聯(lián)劑、欽酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酷偶聯(lián)劑、雙金屬偶聯(lián)劑、磷酸酯偶聯(lián)劑、硼酸酯偶聯(lián)劑等。其中，硅烷偶聯(lián)劑(Silanecouplingagents，簡(jiǎn)稱“SCA”或