金屬防腐技術研究

吳玨斐

（中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064）

在現(xiàn)階段的各種工程建筑、家居用品、裝修裝飾等行業(yè)領域，金屬材料被廣泛應用，其具有加工性能良好、可用性高，導電性、強度、韌性及耐磨性好等方面的特點，在國民經(jīng)濟發(fā)展當中扮演著重要角色[1]。然而金屬的內部結構元素決定了不同種類的金屬在特定環(huán)境下會受到來自外界物體的腐蝕，進而加速其老化程度帶來建筑物安全隱患，也造成巨大的經(jīng)濟損失，因此如何加強金屬材質的防腐性已經(jīng)成為了金屬建材行業(yè)內部迫切需要解決的問題。

1 金屬材料的腐蝕機制

金屬材料的腐蝕指的是金屬材質處于自然環(huán)境下由于周圍各種化學元素物理元素對材質本身造成的破壞，腐蝕這一概念不僅存在于金屬材料當中，還出現(xiàn)在塑料、陶瓷、人造材料當中。金屬造成的腐蝕的過程首先可以通過熱力學來解釋，其次，金屬的被腐蝕需要多長時間，在其被腐蝕之后，金屬材料的壽命會有什么變化，腐蝕動力學可以解釋這一問題。

一些典型的氧化物類金屬，它們從礦石中被提取出來之后，從能量定義上看，其變成了高能量的物質狀態(tài)，例如鋼鐵所對應的金屬氧化物是氧化鐵，鋁對應的金屬氧化物是氧化鋁。而物理中的熱力學原理一直強調的是物質在發(fā)展過程中主要追求的就是保證自身一直處于低能量的狀態(tài)，于是當金屬被提取出來處于高能量狀態(tài)時，他們自身會通過各種方式趨近于低能量狀態(tài)，在這一過程中就會形成氧化物或者以其他化合物的方式降低自身能量，而金屬慢慢由高能量狀態(tài)轉化為低能量狀態(tài)的過程就是腐蝕的過程[2]。對于一些普通的建筑工程材料來說，它們在近室溫環(huán)境下放置時，在環(huán)境中有水的情況下會形成電化學性質的腐蝕，例如那些地下管道中還有碳鋼和低合金銅的材料，由于他們所處的環(huán)境當中有潮濕的土壤，這種環(huán)境形成了金屬材料腐蝕的電解質環(huán)境，這類材料腐蝕的過程主要是金屬失去自身電子氧化作用的過程，這些失去的電子會被材料所接觸到的氧和水形成的還原反應消耗掉。

金屬的氧化反應在本質上是一個陽極反應的過程，而還原反應則是一個陰極反應的過程。這兩個化學反應是金屬材料腐蝕過程中必不可少的，其中氧化反應會造成金屬材料本身物質的實際損失，然而還原反應是通過消耗氧化反應產(chǎn)生之后釋放出來的電子來進行的。由于氧化反應需要維持電荷的中性，不依托于氧化反應的還原反應會在氧化反應時在金屬與電解質之間形成大量的負電荷而使得整個腐蝕過程中止[3]。氧化反應和還原反應的反應過程也被稱為半電池反應過程，它們可以同時在金屬的某一部分發(fā)生或分開在金屬的各部分發(fā)生，當這些電化學反應分開進行的時候，整個腐蝕過程被稱為差異性腐蝕，產(chǎn)生氧化的點被稱為金屬材料的陽極或者陽極區(qū)。在發(fā)生反應的這片區(qū)域，金屬離子會離開金屬表面，正電荷會從金屬材質表面流到電解質當中，然后該區(qū)域的電流到達電解質的另一端后，這一端留存的氧氣、水以及其他物質被還原，因此這一段也被稱為陰極或者陰極區(qū)域。此外，能夠產(chǎn)生腐蝕的電極必須由四個部分組成，首先是發(fā)生氧化反應的陽極，其次是發(fā)生還原反應的陰極，此外，必須存在一個能夠連接陽極和陰極的電流導向通路，這一通路通常是由金屬材質本身組成，最后，發(fā)生還原和氧化反應的陽極和陰極必須能夠形成進入到導電的電解質當中的環(huán)境，這一環(huán)境通常指的是潮濕的周邊環(huán)境，例如土壤中的管道腐蝕[4]。而這些地下腐蝕通常是由不同類型的差異腐蝕電池形成的，主要類型包括了由于管道的不同部分暴露于不同區(qū)域，土壤中的氧氣含量的不同形成的沖擊差異電池。這時管道表面的性質或者不同區(qū)域土壤的化學性質不同而產(chǎn)生腐蝕，此外還可能由于管道當中包含兩種不同的金屬從而在本身的電極上成對，且多放置于腐蝕性的環(huán)境當中，從而形成電偶腐蝕[5]。

2 不同種類金屬的防腐技術

要想使金屬材質擁有更長的使用壽命，就必須要做好金屬的防腐技術，現(xiàn)階段行業(yè)內部針對不同類型金屬的防腐技術主要有以下幾種。

2.1 鋁合金防腐技術

（1）對金屬材質內部結構的改變：例如通過各種金屬內部結構的不同以及耐腐蝕性的程度不同，將它們進行融合制造出耐腐蝕性強度高的合金，常見的合金有在鋼鐵當中加入鉻、鎳等制成不銹鋼。

（2）在鋁合金表面形成保護層：通過在鋁合金表面覆蓋保護層，可以使鋁合金與空氣當中的氧化物或者與環(huán)境當中的腐蝕介質相隔離，從而達到防腐蝕的效果。例如可以在鋁合金表面涂上機油、凡士林、油漆來與腐蝕性物質隔絕，或者通過在鋁合金表面鍍上搪瓷、塑料等耐腐蝕程度較高的非金屬材料來抵抗腐蝕。此外還可以通過電鍍、熱鍍、噴鍍等工藝，將鋅、錫、鉻、鎳等抗腐蝕性強的金屬噴在鋁合金表面，這些金屬材質可以與外部環(huán)境形成氧化就要產(chǎn)生結構細密的氧化物膜，為金屬阻擋來自水和空氣的腐蝕。最后，也可以通過化學反應催化鋁合金表面形成結構較為穩(wěn)定的氧化膜，延緩期腐蝕過程，例如在一些機械零件當中，通過氧化使零件表面覆蓋一層黑色的四氧化三鐵防腐蝕薄膜。

（3）消除環(huán)境當中的腐蝕介質：也可以在鋁合金存放的過程中通過消除環(huán)境當中的腐蝕介質，來抑制腐蝕的發(fā)生。例如可以通過維護的手段時常對鋁合金進行檢查，經(jīng)常擦拭鋁合金，或者將鋁合金的存放空間中放入干燥劑，亦或是在鋁合金所處的腐蝕介質當中加入能夠減緩腐蝕的防腐劑。

2.2 鎂合金防腐技術

（1）利用化學轉化進行處理：現(xiàn)階段對于鎂合金的化學轉化所用到的溶液主要有：鉻酸鹽系、有機酸系和錫酸鹽系等。化學轉化當中的磨多孔的結構在整個轉化過程中表現(xiàn)出的吸附性優(yōu)良，在對鎂合金進行化學轉化之后，這些溶液能夠很好的改變鍍鎳層的結合力，進一步提高鎂合金的耐腐蝕性。并且有機酸系列的化學轉換產(chǎn)生的轉化膜兼具腐蝕性保護和光學、電子學等特性，是現(xiàn)階段鋁合金防護手段當中最主要的技術之一。

（2）鎂合金的陽極氧化技術：對鋁合金進行陽極氧化可以得到更具耐腐蝕性的基層圖層，并且使鎂合金具有良好的結合力、電絕緣性、耐熱沖擊性，是現(xiàn)階段行業(yè)當中最常用的耐腐蝕性技術之一。此外，近年來研究者們所開發(fā)出來的環(huán)保型氧化膜耐腐蝕性工藝相比傳統(tǒng)的Dow17和HAE有了大幅度的提高，在環(huán)保型陽極氧化進行之后Al、Si可以均勻的分布在鎂合金表面，產(chǎn)生的氧化膜更加細密和完整[5]。

（3）鎂合金表面金屬圖層：由于鎂合金是最難鍍的金屬，對其覆蓋金屬圖層需要先用化學轉化膜的方法將其浸入到新或者錳溶液當中，然后進行鍍銅，之后再進行其他化學鍍層處理，進一步增加其表面鍍層的結合力。

（4）激光加工：激光處理技術又被稱作激光退火技術，是通過激光在鎂合金表面快速凝固成防腐涂層的技術手段。隨著技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的激光表面合金技術，這種技術可以對于激光輻照源的溶膜使鋁合金表面形成單層或多層的不同硬度的鍍層，形成冶金結合的界面。在這一過程中由于Nd元素的存在，經(jīng)過激光處理后的鎂合金表面晶粒變得更加細膩，改善包層的密度和完整性，提升整體耐腐蝕性。

2.3 鋼鐵的防腐蝕技術

（1）油漆防腐技術：油漆防腐技術是通過將純鋅粉溶液、助劑組合形成富含鋅的基底漆涂在鋼鐵表面，借助成膜物質在鋼鐵表面形成一層隔絕腐蝕介質的固化膜。

（2）熱浸鍍鋅技術：浸鍍鋅技術是通過將待鍍鋅的鋼鐵零部件浸人溶融金屬鋅槽進行鍍層，進而使鋼鐵部件的表面形成一層純鍍鋅層，在鋼鐵部件次表面形成鋅合金的鍍層，綜合對鋼鐵部件進行防腐蝕的保護。從其性能來講，熱鍍鋅的鍍層較薄，只有30um到50um，即使是對一些大型部件的構成也僅有85um，但非常細膩，能夠有效的阻隔鋼鐵部件周圍腐蝕介質進入，良好的保護鋼鐵陰極。

（3）電弧噴涂防腐技術：電弧噴涂是通過運用專門的噴涂設備，將噴涂的金屬絲在低電壓和大電流作業(yè)下融化，而后給金屬部件表面除銹，通過壓縮空氣將噴涂金屬噴吹制鋼鐵部件上，形成一層電弧噴鋅、噴鋁的密閉涂層。電弧噴涂防腐技術能夠有效保護鋼鐵的陽極，其密閉性能很好的阻隔腐蝕，并且電弧噴涂仿佛能使鋼鐵部件具有更高的結合力，是油漆防腐和熱浸鋅防腐無法相比的。在對電弧噴涂層進行相關實驗時，這一技術表現(xiàn)出來的性能被金屬防腐劑稱之為“疊層鋼板”，非常適合用于煤礦井當中的鋼鐵部件防腐處理。

3 結語

綜上所述，為了應對金屬防腐這一問題，近年來我國研究人員在金屬防護方面也取得了較大的技術突破，但由于金屬材質本身的結構特點，金屬防腐的技術領域還有待進一步拓展。因此，在未來需要不斷利用各種化學理論，利用大量的化學實驗分析和測試各種防腐物質對于金屬材料的防腐性，也要進一步發(fā)掘更多的既滿足金屬產(chǎn)品技術要求，又可以在不同環(huán)境下發(fā)揮作用的新型緩蝕劑，延長金屬材料的使用壽命，使其在建筑領域更好的發(fā)揮作用。