淺談電化學腐蝕原理以及應用

李嬌嬌

摘 要：腐蝕現(xiàn)象都是由于金屬與一種電解質（水溶液或熔鹽）接觸，因此有可能在金屬/電解質界面發(fā)生陽極溶解過程（氧化）。這時如果界面上有相應的陰極還原過程配合，則電解質起離子導體的作用，金屬本身則為電子導體，因此就構成了一種自發(fā)電池，使金屬的陽極溶解持續(xù)進行，產生腐蝕現(xiàn)象。

關鍵詞：電化學腐蝕原理；晶間腐蝕；均勻腐蝕；應力腐蝕；防護與應用；鍍層；陽極保護

1 電化學腐蝕原理

金屬表面由于外界介質的化學或電化學作用而造成的變質及損壞的現(xiàn)象或過程稱為腐蝕。介質中被還原物質的粒子在與金屬表面碰撞時取得金屬原子的價電子而被還原，與失去價電子的被氧化的金屬“就地”形成腐蝕產物覆蓋在金屬表面上，這樣一種腐蝕過程稱為化學腐蝕。由于金屬是電子的良導體，如果介質是離子導體的話，金屬被氧化與介質中被還原的物質獲得電子這兩個過程可以同時在金屬表面的不同部位進行。金屬被氧化成為正價離子（包括配合離子）進入介質或成為難溶化合物（一般是金屬的氧化物或含水氧化物或金屬鹽）留在金屬表面。這個過程是一個電極反應過程，叫做陽極反應過程。被氧化的金屬所失去的電子通過作為電子良導體的金屬材料本身流向金屬表面的另一部位，在那里由介質中被還原的物質所接受，使它的價態(tài)降低，這是陰極反應過程。在金屬腐蝕學中，習慣地把介質中接受金屬材料中的電子而被還原的物質叫做去極化劑。經這種途徑進行的腐蝕過程，稱為電化學腐蝕。在腐蝕作用中最為嚴重的是電化學腐蝕，它只有在介質中是離子導體時才能發(fā)生。即便是純水，也具有離子導體的性質。在水溶液中的腐蝕，最常見的去極化劑是溶于水中的氧（O2）。

2 電化學腐蝕的分類

上述金屬腐蝕現(xiàn)象，都是假定陽極和陰極反應是在金屬表面相同的位置發(fā)生的，這樣引起的金屬腐蝕是均勻的，稱為均勻腐蝕，實際上，金屬中總是或多或少含有雜質，是不均勻的。有些金屬中還有目的地加入其他成分以改善其機械性能或耐腐蝕性，例如合金，但也因此引進了一定程度的不均勻性。有些金屬構件在加工過程中產生了內應力，同樣造成不均勻性。另外，腐蝕介質也可能因濃度差等原因產生局部的不均一性。這種金屬/溶液界面的不均一性是產生局部腐蝕的原因。局部腐蝕的危害比均勻腐蝕要嚴重得多，因為金屬腐蝕的陽極反應和共扼陰極反應，由于金屬/溶液界面的不均一而產生了空間分離，陽極反應往往在極小的局部范圍內發(fā)生，此時總的陽極溶解速率雖然仍舊等于總的共扼陰極反應速率，但是陰極電流密度（單位面積內的反應速率）卻大大增加了，即局部的腐蝕強度大大加劇了。例如一根均勻腐蝕的鐵管可以連續(xù)使用很長時間而無大礙，但如局部腐穿就只能報廢。

3 金屬的電化學防腐蝕

從腐蝕角度保護金屬材料最簡單易行的方法是將材料與腐蝕環(huán)境隔離。例如有機涂料、無機物的搪瓷等涂覆金屬表面以使材料與腐蝕環(huán)境隔絕。當這些保護層完整時是能起到保護作用的。這里主要介紹已廣為人們采用的電化學防腐蝕方法。

3.1 金屬鍍層

用電鍍法在金屬的表面涂一層別的金屬或合金作為保護層。例如自行車上鍍銅錫合金當?shù)?，然后鍍鉻，鐵制自來水管鍍鋅以及某些機電產品鍍銀或金等都可以達到防腐蝕目的。電鍍是借助電解作用，在金屬制件表面上沉積一薄層其他金屬的方法。包括鍍前處理（除油、去銹）、鍍上金屬層和鍍后處理（鈍化、去氫）等過程。電鍍時，將金屬制件作為陰極，所鍍金屬作為陽極，浸人含有鍍層成分的電解液中，并通入直流電，經過一段時間即得沉積鍍層。

3.2 陽極保護

它是指用陽極極化的方法使金屬鈍化，并用微弱電流維持鈍化狀態(tài)，從而保護金屬。此法是基于對金屬鈍化現(xiàn)象的研究提出的。因此，要弄清陽極保護的原理，首先要明白金屬鈍化的原理。金屬陽極溶解時，在一般情況下，電極電勢愈正，陽極溶解速度愈大。但在有些情況下，當正向極化超過一定數(shù)值后，由于表面某種吸附層或新的成相層的形成，金屬的溶解速度非但不增加，反而急劇下降。在金屬被化學溶解時也有類似情形。

用控制電勢法測定陽極極化曲線，可以清楚地了解金屬的鈍化過程。如圖所示就是典型的恒電勢陽極極化曲線。曲線分為四個區(qū)域AB段為活性溶解區(qū)，金屬進行正常的陽極溶解。當電勢達到φ鈍時，金屬發(fā)生了鈍化過程。金屬的溶解速度劇烈降低，故φ鈍為臨界鈍化電勢。BC段是過渡鈍化區(qū)，金屬表面由活化狀態(tài)過渡到鈍化狀態(tài)。CD段是穩(wěn)定鈍化區(qū)，這一段電勢區(qū)通常達1～2V，有的金屬甚至可達幾十伏，在此電勢范圍內金屬的鈍化達到穩(wěn)定狀態(tài)，金屬的溶解速度達到最低值，在整個CD段溶解速度幾乎保持不變。DE段是過鈍化區(qū)，當φ進入DE段，這時金屬溶解速度又得新加快，造成這一現(xiàn)象有兩種可能的原因，一是金屬的高價態(tài)溶解，另一種可能是發(fā)生了其他的陽極反應，例如氧的析出。

根據(jù)以上分析可知，如果把浸在介質中的金屬構件和另一輔助電極組成電池，用恒電位儀把金屬構件的電勢控制在CD段內，則可以把金屬在介質中的腐蝕降低到最小限度。這種用陽極極化使金屬得到保護的方法叫陽極保護。

參考文獻：

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[2]張云蘭，劉建華.非金屬工程材料[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998年.

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