金屬防腐及其防腐蝕措施的研究

王楊松，王英丹，于帥，郭萬元，孫洪濤，徐秀志

金屬防腐及其防腐蝕措施的研究

王楊松，王英丹，于帥，郭萬元，孫洪濤，徐秀志

（沈陽順風新材料有限公司，遼寧 沈陽 110326）

隨著社會的進步、經(jīng)濟的增長，金屬在生產(chǎn)生活中的應用也愈發(fā)廣泛。但是，金屬自身易腐蝕性能使我們面臨一項巨大的挑戰(zhàn)，金屬的腐蝕破壞了金屬原有的形貌及功能，導致金屬的應用受到一定的限制，對人們的生活產(chǎn)生一些影響，嚴重的情況甚至可能引起環(huán)境的污染以及安全方面的事故。本文對金屬腐蝕的原因進行了分析，并對相應的防腐蝕措施進行了討論。

金屬； 防腐； 防腐蝕措施

金屬是生活中必不可少的一種材料，其優(yōu)異的性能使得它被廣泛應用，大到建筑材料，小到家用鍋碗瓢盆。金屬材料雖然是目前應用的必要材料，但是資源上卻不盡人意，金屬資源的匱乏使得我們在應用金屬材料的過程中應盡可能地保護金屬。應用極其廣泛的金屬材料卻面臨著一個巨大的問題-腐蝕。在金屬的應用中，腐蝕是不可避免的，金屬的腐蝕破壞了金屬的表面形貌的同時，又影響了金屬的性能，被腐蝕的金屬在應用的過程中便會具有一定的安全隱患，腐蝕是金屬材料及其設備損壞和失效的重要原因之一，金屬的腐蝕遍及國內(nèi)外各個領域，給人們帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

1 金屬的應用現(xiàn)狀

金屬材料是由元素周期表中金屬元素組成，通常我們使用的純金屬、合金以及具有金屬元素的材料被我們稱之為金屬材料。金屬的認知來源于天空降下的隕石，從此鐵被人們發(fā)現(xiàn)了，從當初的認知到后來的使用，甚至到現(xiàn)如今對金屬的保護。金屬的使用愈發(fā)廣泛，金屬材料在生活中扮演者重要的角色。在如今面臨環(huán)保問題的中國，金屬作為一種單一元素的物質(zhì)或者幾種元素的物質(zhì)深受人們的喜歡，不含污染元素的金屬被研究人員們深入研究[1]。在中國目前面臨的環(huán)境問題的前提下，塑料、橡膠、木質(zhì)等大部分材料應該被減少，從而減少環(huán)境的污染。所以我們需要發(fā)展金屬材料，用金屬材料替代其他材料。在建筑材料中，金屬材料的作用是不可被替代的，現(xiàn)如今，我們用金屬材料代替單一的混凝土結(jié)構和磚堆砌結(jié)構，既實現(xiàn)了建筑結(jié)構的高強度，又減少了木材、模板和水等資源的利用，又由于使用了輕質(zhì)高強的金屬材料，使其在穩(wěn)定性和抗震性方面的性能優(yōu)異。用金屬材料，在減少多余資源利用，降低污染物的產(chǎn)生的同時，又能達到建筑結(jié)構的高強度。國內(nèi)外用金屬打造的建筑很多，目前許多地標式建筑都是由金屬材料組成的，例如紐約的帝國大廈、法國的埃菲爾鐵塔、日本東京的東京塔以及紐約世貿(mào)中信大廈等。這些使用金屬材料而著名的金屬建筑，目前已成為各國甚至世界上的地標性建筑。在國內(nèi)，首都的鳥巢、國際機場、博物館、亞運會體育館、上海的楊浦大橋等，均為國內(nèi)著名的金屬建筑的代表作。但是我國的金屬建筑方面，較之其他發(fā)達國家，仍處于落后的階段。所以提高我國金屬建筑也是我國發(fā)展經(jīng)濟的一大目標。不但如此，我國金屬結(jié)構應用也不廣泛，金屬結(jié)構在住宅體系還未大范圍推廣，只利用在高層建筑和工業(yè)建筑兩方面。然而發(fā)達國家的金屬結(jié)構的住宅面積占總住宅面積的40%以上，以上種種現(xiàn)象都足以說明，在我國建筑金屬結(jié)構行業(yè)中，存在著很大的應用領域和發(fā)展空間。隨著社會的發(fā)展、時代的進步、人們生活水平的日益升高，金屬建筑將愈發(fā)普及，金屬應用也將越廣泛。我國 2016 年鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)達到 808.4 百萬噸，穩(wěn)居世界首位。隨著國民經(jīng)濟的再次增長和發(fā)展，金屬材料由于現(xiàn)如今的建筑行業(yè)的需求也會得到進一步發(fā)展，鋼鐵技術的發(fā)展必會迎來新的篇章，鋼鐵產(chǎn)量也將大幅度提升，金屬材料在我國將會迎來蓬勃發(fā)展。

然而金屬易受腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而遭到破壞，金屬腐蝕不僅會造成經(jīng)濟上的損失，而且它還會帶來慘重的人員傷亡、環(huán)境污染等一系列巨大的危害。因此，對金屬進行防腐蝕的防護具有重要的意義，所以現(xiàn)如今這已成為當今材料、工程等學科研究的重大課題之一。

2 金屬腐蝕的概述

金屬腐蝕是指金屬在環(huán)境介質(zhì)的作用下，金屬表面由于化學反應、物理溶解或者電化學反應而產(chǎn)生的表面甚至結(jié)構的破壞，其本質(zhì)是金屬原子被氧化從而失去電子的過程。一般我們根據(jù)腐蝕機理不同進而將金屬腐蝕分為電化學腐蝕和化學腐蝕兩大類。電化學腐蝕：金屬表面與環(huán)境介質(zhì)中的離子發(fā)生電化學反應從而引起的腐蝕。化學腐蝕：金屬或者合金在于環(huán)境介質(zhì)的接觸中（比如O2、SO2、H2O、酸霧等）直接發(fā)生的引起金屬或合金表面甚至結(jié)構發(fā)生破壞或者失效的化學反應腐蝕。在這兩類金屬腐蝕中，電化學腐蝕占據(jù)大部分。腐蝕電池形成的主要原因：金屬表面與環(huán)境介質(zhì)接觸，空氣中的水分形成一層水膜吸附在金屬表面，進而空氣中的其他雜質(zhì)例如CO2、SO2、NO2等物質(zhì)溶解在這層水膜中，進而形成了電解質(zhì)溶劑。在金屬（以鐵為例）中，除了含有自身擁有的鐵元素之外，還含有類似碳等不如鐵活潑的雜質(zhì)，這樣，鐵與雜質(zhì)構成了腐蝕電池，鐵為陽極，雜質(zhì)為陰極，陽極上鐵失去電子變成亞鐵離子（反應式1），陰極同時也會因電解質(zhì)溶液的不同發(fā)生得到電子的反應，一般分為兩類：在強酸性的溶液中進行的析氫腐蝕（反應式2），和在弱酸性或中性的溶液中進行的吸氧腐蝕（反應式3）。

陽極： 2Fe→2Fe2++4e-（1）

陰極（強酸性）：2H++2e-→H2（2）

陰極（中性）：2H2O +O2+4e-→4OH-（3）

3 金屬腐蝕原因

金屬是我們生活中常見的材料，金屬建筑結(jié)構、機器零件、地下管道等。在現(xiàn)如今使用金屬量愈發(fā)廣泛的中國，金屬的腐蝕是我們目前需要克服的一個重大難題，金屬建筑結(jié)構的腐蝕導致建筑坍塌，機器零件的損失導致機器的損壞，地下運輸通道的腐蝕導致氣體及油液的泄露，所以說金屬的保護是至關重要的。

3.1 土壤腐蝕

金屬的應用很廣泛，建筑、地下管道、機器等金屬的使用，金屬腐蝕的原因也大不相同。城市地下布設的管道是我們較常見的金屬，我們可以利用金屬管道運輸氣體及油液等物質(zhì)，金屬管道的腐蝕將會引起管道內(nèi)物質(zhì)的泄露，這將會引起不必要的資源浪費，甚至污染環(huán)境。因此我們對金屬管道腐蝕進行分析。對金屬管道表面腐蝕最常見的原因就是土壤對其的腐蝕，土壤中含有的物質(zhì)較為復雜，不僅包含了土壤中的微生物，還包含了微生物分泌的分泌物等，大部分分泌物屬于酸性、堿性和鹽類等物質(zhì)，并且大部分地下的土壤較為陰冷，所以其中含有大量的水分，當酸堿和鹽等物質(zhì)溶解在水分中，電解質(zhì)溶液便形成了，進而促使金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象[1]。

3.2 雜散電流腐蝕

電在生活中無處不在，比如脫衣服、梳頭等摩擦起電，空氣中微弱電流的傳導，無論是距離金屬遠近的電，這些電都會影響金屬的防腐蝕保護，雜散電流的導入會與金屬發(fā)生離子的交換等一系列化學反應，最終導致金屬材料被腐蝕，影響金屬材料的正常使用。

3.3 酸雨及空氣腐蝕

空氣不是一個無菌環(huán)境，隨著空氣的流動，土壤、建筑、水中的微生物會隨著空氣傳播到金屬表面，隨著時間的流逝，金屬材料表面逐漸被腐蝕。降雨是常見的天氣，很多金屬會裸露在雨天里，與空氣和雨水直接接觸，雨水成分復雜，并且在滴落的過程中，與空氣接觸，空氣中部分物質(zhì)溶于雨水中，雨水作為溶劑附著在金屬表面，雨水中的物質(zhì)作為電解質(zhì)會與金屬之間發(fā)生電化學反應，從而腐蝕金屬。尤其是環(huán)境惡化的城市下雨時，時常會形成酸雨，再當酸雨接觸金屬時，便發(fā)生酸雨對金屬的腐蝕情況，而空氣中的氧氣還會加速金屬的氧化反應，從而加快金屬的腐蝕情況，影響金屬的質(zhì)量，從而影響金屬的使用壽命。

3.4 金屬材料結(jié)構因素

除了以上所發(fā)生的腐蝕情況類型外，金屬的自身結(jié)構也會一定程度上影響金屬的腐蝕，不同的金屬自身性質(zhì)也大不相同，金屬的純度也會影響金屬自身的腐蝕情況，內(nèi)部雜質(zhì)會和外部介質(zhì)里應外合地腐蝕金屬。由于各廠商對金屬材料的制作工序以及制作標準不同，金屬設計和制作技巧也大不相同，從而不同程度上腐蝕金屬，影響金屬材料的正常使用。

4 金屬結(jié)構的防腐蝕方法

金屬在應用的作用不同，金屬內(nèi)部的雜質(zhì)也大不相同，因其自身的結(jié)構，導致電化學電池的形成，從而影響金屬的防腐蝕保護。金屬以及合金材料的腐蝕主要是由于金屬表面與外界環(huán)境介質(zhì)的接觸，介質(zhì)與金屬之間相互作用，從而導致金屬失去電子，金屬表面甚至結(jié)構被破壞，所以金屬腐蝕不但和金屬自身結(jié)構、自身性質(zhì)(結(jié)構、表面狀態(tài)、成分等)有關，還與環(huán)境介質(zhì)（離子濃度、酸堿度、濕度等）有關[2]。到目前為止，金屬防腐蝕一般有三條思路：（1）使用具有包覆效果的物質(zhì)包覆在金屬表面形成包覆層，阻斷金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的直接接觸以及間接接觸；（2）改變金屬的腐蝕電位，使金屬受到電子的保護，處于不易腐蝕的狀態(tài)；（3）直接對金屬做出改變，改變金屬自身的性質(zhì)，以提高金屬的耐腐蝕性[3]。根據(jù)目前金屬腐蝕的原因，國內(nèi)外對金屬腐蝕保護技術有了以下幾種方法。

4.1 金屬受包覆保護層保護法

金屬腐蝕主要原因就是金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的接觸，為了隔絕金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的直接接觸，我們在使用的金屬表面包覆一層保護層，包覆金屬的保護方法主要有涂刷防腐涂料以及通過電鍍的方式：（1）使用防腐涂層，通常我們涂刷含有有機環(huán)氧樹脂聚氨酯等有機防腐涂料，使用防腐涂料主要防腐機理是在金屬表面包覆一層涂料，從而將金屬表面和環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)隔離，起到了防止金屬腐蝕的目的，進而金屬的使用壽命得到增長。（2）使用電鍍是利用化學反應中的電解原理，其機理是在金屬材料表面鍍上一層金屬鍍層覆蓋膜，從而防止金屬失去電子而引起的金屬氧化（如銹蝕）的作用。與涂刷涂層相似，但本質(zhì)上又不同于涂刷涂層。例如，利用電鍍工藝得到的裝飾物件的外層膜。

4.2 電化學保護法

金屬受到腐蝕的原因部分是因為金屬失去電子，電化學保護法的主要原理就是利用電化學使金屬單質(zhì)或者金屬合金不能失去電子，把被保護的金屬作為可以發(fā)生還原反應的陰極，已達到解決金屬在陽極失去電子的腐蝕原電池反應[4]，根據(jù)以上條件，具體實施方法為：（1）外加電流法，外加電流法是利用高中化學中的電解池原理，將被保護的金屬作為電解池的陰極，附加電極為陽極，兩者構成電解池的陰陽電極，在附加直流電的通入下，陰極金屬得到保護，阻止金屬材料失去電子，從而防止金屬腐蝕。（2）犧牲陽極保護法，該方法與外加電流法極其相似，都是將被保護的金屬作為陰極，但本方法是利用原電池裝置，將一塊電極電勢更負（更容易失去電子）的金屬材料或合金作為原電池的陽極，兩者構成了原電池的陰陽兩極，使得陰極被保護的金屬得到了保護，阻止金屬被腐蝕。

4.3 添加緩蝕劑

緩蝕劑是一種存在于環(huán)境介質(zhì)中，能起到減緩金屬腐蝕甚至抑制金屬腐蝕的一類復合物，因此我們稱之為腐蝕抑制劑。它的用量很小，添加微量或少量緩蝕劑就可以使金屬在該介質(zhì)中腐蝕速率明顯減慢甚至不腐蝕，可適用于不同酸堿條件的環(huán)境下，添加緩蝕劑后不影響金屬材料的物理性能、力學性能以及其他性能。緩蝕劑一般分為三類：

（1）陽極型緩蝕劑，陽極緩蝕劑的抑制原理是利用緩蝕劑與金屬離子在金屬表面的陽極區(qū)域發(fā)生反應，其優(yōu)點是用以生成氧化物或氫氧化物覆蓋在金屬表面，形成一層防止腐蝕的保護膜，抑制了金屬失電子而向水中溶解，使陽極反應被抑制。但是該緩蝕劑也有一定的缺點，雖然緩蝕劑的添加量很小，但為了鈍化全部陽極，需要保持溶液具有足夠高的濃度，如若濃度不夠，會發(fā)生部分未被鈍化的陽極區(qū)域出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，從而以點腐蝕金屬。具有代表性的陽極緩蝕劑有亞硝酸鹽、酸鹽和鉬酸鹽等。

（2）陰極型緩蝕劑，陰極緩蝕劑其防腐機理是利用陰極的溶液發(fā)生的電子反應，析出陰極附近溶液中的物質(zhì)，在陰極的金屬表面形成一層防止陰極金屬腐蝕的陰極區(qū)沉積膜，隨著膜的增厚，陰極還原反應逐漸被抑制。其缺點是，該緩蝕劑需在陰極形成沉積成膜，需要一定的時間，因此會影響金屬的前期腐蝕。目前，應用較廣的陰極型緩蝕劑主要有鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物等。

（3）混合型緩蝕劑，混合型緩蝕劑是化學物質(zhì)分子中含有兩種性質(zhì)相反的極性基團的有機緩蝕劑，其一般是某些含硫或者含氮等含有表面活性的有機緩蝕劑，能夠使緩蝕劑同時在金屬的陰陽兩極吸附在清潔的金屬表面形成單分子膜，可同時在陰陽兩極形成保護膜，阻止金屬與水中溶解氧以及其他介質(zhì)通過水溶液向金屬表面擴散，從而起到緩蝕作用，進而抑制金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。常用混合型緩蝕劑有巰基苯并噻唑（MBT）、苯并三唑、十六烷胺等。

4.4 改變金屬內(nèi)部的結(jié)構或成分

除了通過以上方式之外，我們也可以通過在金屬中添加或者減少一些元素（金屬元素或者非金屬元素）的含量，借此來提高金屬其本身的耐腐蝕性能，使其化學性質(zhì)更穩(wěn)定，抑制腐蝕的發(fā)生，例如向碳鋼中添加鎳、鎘、鈦等元素形成不銹鋼；或者減少碳鋼中碳元素的含量，并添加某些元素形成雙相不銹鋼、超低碳不銹鋼等。前者通過鋼與其他金屬元素形成合金，使其化學性能更加穩(wěn)定，而后者則是提高了碳鋼的抗氧化性能。

5 結(jié) 論

近年來，金屬腐蝕與防腐蝕措施在國內(nèi)外成果璀璨，據(jù)相關部門報道，現(xiàn)如今如果將金屬腐蝕以及防腐蝕措施得到普及，金屬腐蝕現(xiàn)象將大幅度下降，可使腐蝕損失至少減少40%。

現(xiàn)代防腐蝕技術正在進一步提高，隨著使用金屬的人群越來越多，人們對金屬腐蝕將會越來越重視，大到金屬建筑結(jié)構，小到家用鍋碗瓢盆，這可以加速我們對金屬防腐蝕科學技術的普及，進一步加大金屬防腐蝕科學技術在各種領域的實際應用，金屬防腐不僅可以減少金屬腐蝕帶來的損失，也可以保障人們在使用金屬材料時的人身安全，對我國現(xiàn)代化建設的發(fā)展影響深遠，是節(jié)約國家資源，減少污染，降低安全隱患，提高金屬應用的有效途徑。

［1］古德生，周科平.現(xiàn)代金屬礦業(yè)的發(fā)展主題[J].金屬礦山，2012（7）：1-8.

［2］尹桂勤，張莉華，常守文，等.土壤腐蝕研究方法概述[J].腐蝕科學與防護技術，2004（6）：367-370+374.

［3］包月霞.金屬腐蝕的分類和防護方法[J].廣東化工，2010，37（7）：199+216.

［4］謝春峰.金屬腐蝕原理及防護簡介[J].全面腐蝕控制，2019,，33（7）：18-20.

Research on Metal Corrosion Prevention and Corrosion Prevention Measures

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（Shenyang Shunfeng New Material Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110326, China）

With the progress of the society, economic growth, the application of metal in production and life is increasingly extensive,. However, the metal corrosion makes us face a huge challenge. The corrosion of metal destroys the original appearance and function of metal. As a result, the application of metal is restricted to some extent and even has some impact on people's life. Serious cases may even cause environmental pollution and safety accidents. In this paper, the causes of metal corrosion were analyzed, and the corresponding anti-corrosion measures were discussed.

metal; corrosion; anti-corrosion measures

2019-09-22

王楊松(1983-)，男，碩士，中級，研究方向：水性涂料，納米填料。

TQ050.9+1

A

1004-0935（2020）03-0315-04