金屬材料的腐蝕與防護方法分析

王 曦

（海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

1 金屬材料腐蝕的原因

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕的特征是腐蝕在整個金屬表面上均勻發(fā)生。與其他形式的腐蝕相比，這種腐蝕危害最小。在設(shè)計中，可以根據(jù)經(jīng)驗考慮腐蝕裕度或選擇合適的防腐材料來確保設(shè)備的強度要求和使用壽命。在石化工廠中，根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性，設(shè)備的預(yù)期使用壽命，耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)材料的成本來測量適當(dāng)?shù)母g速率和腐蝕裕度。

1.2 電化腐蝕

電化腐蝕是由于金屬和電解質(zhì)溶液的電化學(xué)作用而導(dǎo)致的金屬材料腐蝕。壓力容器在用于形成電化學(xué)電池的同時可以以多種方式形成陰極區(qū)域。陰極區(qū)域可以是其他金屬材料，腐蝕產(chǎn)物，雜質(zhì)（例如金屬中包含的爐渣），溶脹區(qū)域，低濃度區(qū)域等。其他變形區(qū)域等會形成腐蝕過程。在設(shè)計中，無論是在材料選擇還是在結(jié)構(gòu)上，都應(yīng)盡可能減少上述面積[1]。

1.3 點蝕

點蝕是一種非常局部的腐蝕，會在金屬表面形成孔。當(dāng)形成形式腐蝕時，可能導(dǎo)致材料滲透腐蝕速率的經(jīng)驗數(shù)據(jù)將不再用于估計設(shè)備的使用壽命。許多因素會導(dǎo)致形成點蝕，凹坑的存在會加速腐蝕，加工良好的表面可以減少孔的腐蝕。

1.4 晶間腐蝕

晶間腐蝕發(fā)生在晶界處，并沿晶界的邊緣深處發(fā)生，破壞了晶界的連接，從而大大降低了材料的機械性能。不容易看到金屬損壞是突然的。

盡管材料損失很小，但這種腐蝕對設(shè)備非常有害。一個典型的例子是不穩(wěn)定的不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕。在焊接過程中，由于焊縫附近的溫度達到500℃至800℃，碳化鉻沉淀在晶界處。為了防止這種腐蝕，可以采用焊接后的熱處理，或者可以使用低碳（0.3%C）不銹鋼或添加了鈦或鈮而穩(wěn)定化的不銹鋼[2]。

2 金屬材料防護方法

2.1 改善金屬環(huán)境

在減少和防止腐蝕方面，改善環(huán)境非常重要。例如，降低腐蝕性介質(zhì)的濃度，從介質(zhì)中除去氧氣以及控制環(huán)境的溫度和濕度可以減少并防止金屬腐蝕。您還可以添加可以降低腐蝕性介質(zhì)腐蝕速率的物質(zhì)（稱為防腐蝕劑），以減少和防止金屬腐蝕。

2.2 在金屬表面形成保護層

通過用各種保護裝置覆蓋金屬表面，將被保護金屬與腐蝕性介質(zhì)分開是防止金屬腐蝕的有效方法。工業(yè)上通常使用兩種類型的保護層：非金屬保護層和金屬保護層。它們是通過化學(xué)，物理和電化學(xué)方法實現(xiàn)的。通過在金屬表面上形成轉(zhuǎn)化層并在金屬表面上添加堅固的保護層，該方法達到了從大氣中分離金屬的目的，例如電鍍，化學(xué)鍍，氧化和磷酸鹽。從而保護金屬表面，可以被一層覆蓋，甚至可以在金屬表面上被氮化。合金金屬表面，例如鉛的滲透，鉻的滲透等也可以使用油漆保護方法，用防銹材料涂覆金屬，例如油漆、防銹油脂、塑料、橡膠、搪瓷、陶瓷等，該方法在國內(nèi)外廣泛使用[3]。

（1）金屬磷化，通過在脫脂和脫灰后將鋼制品浸入某種組成的磷酸鹽溶液中在金屬表面上形成水不溶性磷酸鹽膜的過程稱為磷酸鹽處理。磷酸鹽膜為深灰色至黑灰色，其厚度通常為5m至20m，并且具有出色的耐空氣性和耐腐蝕性。該膜具有微孔結(jié)構(gòu)，其具有強的涂料吸附性，并且當(dāng)用作涂料底漆時，可以進一步提高耐腐蝕性。

（2）對于金屬氧化處理，通過將鋼產(chǎn)品添加到NaOH和NaNO2的混合溶液中以在表面上形成0.5m至1.5m厚的藍色氧化膜（主要成分為FeO）來進行熱處理，以達到目的。對于耐腐蝕鋼，此過程稱為上藍或縮短上藍。由于氧化膜具有優(yōu)異的彈性和潤滑性，因此不會影響零件的精度，因此精密儀器和光學(xué)儀器的零件，彈簧鋼，薄鋼板，細鋼絲等通常以藍色顯示。

（3）非金屬涂層，形成稱為非金屬涂層的保護層，可以通過在金屬表面上涂覆非金屬材料（油漆，塑料，搪瓷，礦物油脂等）來達到防腐蝕的目的。例如，船體，貨車，水桶等經(jīng)常被涂漆，車殼經(jīng)常被涂漆，槍，機器經(jīng)常被涂上礦物油脂。在金屬表面上噴涂塑料（例如聚乙烯，聚氯乙烯，聚氨酯等）比噴涂要好。塑料覆層致密，清潔，色澤鮮艷，具有防腐和裝飾雙重作用。瓷釉是一種具有高SiO2含量和優(yōu)異的耐腐蝕性的玻璃搪瓷，作為耐腐蝕的非金屬涂料，廣泛用于石油化工，制藥，儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域和家庭用品中。

（4）金屬保護層，一種保護涂層，通過在另一個要保護的金屬產(chǎn)品的表面上鍍金屬而形成。舊金屬通常稱為涂層金屬。除了電鍍和化學(xué)鍍之外，金屬涂層的形成還包括諸如熱浸，熱噴涂，滲透和與真空電鍍相同的方法。熱浸鍍是將金屬部件浸入熔融金屬中以形成金屬涂層的方法，并且用作熱浸涂層的金屬是低熔點金屬，例如Zn，Sn，Pb，Al。熱浸鍍鋅主要用于鋼管，鋼板，鋼帶和鋼絲，使用最廣泛。熱浸鍍鋅用于薄鋼板和食品加工的存儲容器。熱浸鍍鋅主要用于化學(xué)腐蝕防護和涂層電纜，熱浸鍍鋅鋁主要用于鋼部件的抗高溫氧化性。金屬表面保護層所需的油漆薄層不能提供屏蔽效果。由于聚合物具有一定程度的透氣性，因此結(jié)合孔的直徑大于水和氧分子的直徑，如果涂層較薄，則可以自由通過。除了選擇透氣性低的成膜材料和阻隔性低的固體膜外材料以改善涂層的不滲透性之外，還必須同時增加涂層的數(shù)量以使涂層能夠達到。即使成分相同，干燥后，表面和內(nèi)部也必須完美地匹配為一層，因此每一層都必須完全附著以形成均勻而堅實的整體。通過改善涂層對非金屬的附著力，可以防止金屬長時間腐蝕。

2.3 電化學(xué)保護方法

電化學(xué)保護是一種通過基于電化學(xué)原理對金屬設(shè)備進行作用而腐蝕電池陰極以防止或減少金屬腐蝕的方法。

（1）犧牲陽極保護方法。在犧牲陽極保護方法中，具有比保護金屬的電極電位低的電極電位的金屬或合金用作正極，并固定到保護金屬上以形成腐蝕性電池，并且保護金屬用作負極。通常用于犧牲陽極的材料是鋁，鋅及其合金。此方法通常用于保護海水，各種金屬設(shè)備和零件的船體，并防止大型設(shè)備（例如儲油罐）和管道的腐蝕。

（2）陽極保護方法。所謂的陽極保護法是指電解質(zhì)中的金屬，并提供一定量的陽極電流。在金屬表面上形成具有高耐腐蝕性的鈍化膜，并且可以用少量的陽極電流來保持該鈍化膜。類似于該防止電解質(zhì)中的金屬腐蝕的方法，鈍化膜層的存在是陽極保護方法。陽極保護法是一種新的防銹技術(shù)，自1960年代以來僅在國外使用，目前主要用于硫酸和磷酸等簡單設(shè)備的防銹。自1970年代以來，我國也應(yīng)用這種方法取得了一定的成果。例如，福建化工廠小氨分廠的碳化塔冷卻液箱實現(xiàn)了陽極保護，使冷卻液箱的壽命延長了3倍以上。由于陽極保護，難以控制金屬電極的電勢。某些限制仍然適用于該技術(shù)在媒體中的推廣和應(yīng)用。

3 結(jié)語

腐蝕破壞正在蔓延到國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域。隨著工業(yè)的發(fā)展，在高參數(shù)的條件下密集的生產(chǎn)過程已被廣泛采用。這些生產(chǎn)過程通常涉及在諸如高溫，高壓，強腐蝕性介質(zhì)，高負荷應(yīng)力或高熱流和高質(zhì)量流的高參數(shù)條件下的硬化操作，這增加了對材料保護的需求。如果不能可靠地解決腐蝕問題，將導(dǎo)致突然和惡意的事故，巨大的經(jīng)濟損失以及嚴重的社會后果。腐蝕損壞不僅導(dǎo)致設(shè)備過早失效，而且還導(dǎo)致突發(fā)和惡意事故，巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會后果。腐蝕防護不僅是安全生產(chǎn)的要求，對于建立某些新興產(chǎn)業(yè)也是必要的，也是使用新技術(shù)的先決條件。因此，腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)的研究與開發(fā)將直接影響國民經(jīng)濟以及國民經(jīng)濟和國防建設(shè)各部門的安全，經(jīng)濟利益和發(fā)展水平。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，防止空氣污染腐蝕金屬的方法越來越多。效果將會越來越好，受到越來越多人的歡迎。這些方法也會對自然環(huán)境更加和諧，減少對環(huán)境的污染以及生態(tài)環(huán)境的破壞。