金屬材料的腐蝕與防護(hù)分析

文楊昊

（佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

盡管金屬材料具有優(yōu)異的性能，但是在使用過程中出現(xiàn)腐蝕就會(huì)造成不可避免的損耗，導(dǎo)致材料的性能降低。導(dǎo)致金屬材料腐蝕的影響因素較多，且其使用廣泛，應(yīng)用在不同的環(huán)境，因此我們從根本上無法避免材料遭受腐蝕。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年因腐蝕所造成的損失約達(dá)7000億美元，此外材料的腐蝕破損或斷裂不僅會(huì)引起有害物質(zhì)的泄露，污染環(huán)境，有時(shí)還會(huì)引起突發(fā)的災(zāi)難性事故，威脅人們的生命[4]。為此，研究金屬的腐蝕原理以及金屬所處環(huán)境用以解決金屬材料的防腐問題勢(shì)在必行，具有極其重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

1 金屬腐蝕機(jī)理

就腐蝕而言它是指材料遭受環(huán)境的作用使自身性能喪失或遭到破壞。這種定義不僅適用于金屬材料，也可適用于塑料、陶瓷、混凝土和木材等無機(jī)材料。上述定義并不夠明確，因此我們對(duì)于金屬材料有更為明確的定義，考慮到金屬腐蝕的機(jī)理，將其定義為：金屬與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用導(dǎo)致金屬基體受到損壞或變質(zhì)。

金屬腐蝕的本質(zhì)為金屬的穩(wěn)定性遭到破壞。金屬腐蝕反應(yīng)大多為電化學(xué)或化學(xué)作用，導(dǎo)致金屬轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子狀態(tài)，金屬價(jià)態(tài)升高，從最初的零價(jià)轉(zhuǎn)為正的離子態(tài)。例如Fe的腐蝕，從Fe轉(zhuǎn)化為FeO，此時(shí)Fe為+2價(jià)。價(jià)態(tài)升高金屬被氧化造成了腐蝕，從這里不難看出腐蝕的實(shí)質(zhì)也可以理解為金屬被氧化，從而導(dǎo)致環(huán)境與金屬構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

對(duì)于腐蝕機(jī)理我們對(duì)于物理作用這里不加以討論，不僅僅是因?yàn)槲覀兌x給出的是發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)。更是因?yàn)樵谌粘Ｉ钌a(chǎn)中單純的因?yàn)槲锢硪蛩匕l(fā)生的腐蝕屬于極少數(shù)案列，并且機(jī)械加壓所造成的腐蝕現(xiàn)象不屬于金屬腐蝕的案列，故不做討論。

2 金屬腐蝕的分類

由于金屬腐蝕的復(fù)雜機(jī)理，不僅與金屬本身的性質(zhì)有關(guān)，也與金屬所處環(huán)境以及發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，以下內(nèi)容將根據(jù)金屬腐蝕原因及現(xiàn)象進(jìn)行分類。

2.1 按金屬腐蝕的機(jī)理分類

化學(xué)腐蝕：指金屬與環(huán)境中的某種介質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)從而引起自身的變質(zhì)或破壞，其主要特點(diǎn)為反應(yīng)不產(chǎn)生電流。

電化學(xué)腐蝕：指金屬與環(huán)境介質(zhì)組成電極，組成了腐蝕原電池，從而導(dǎo)致金屬表面被破壞，其反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，與化學(xué)腐蝕相比較其反應(yīng)過程中產(chǎn)生了電流。

物理腐蝕：指金屬受到單純的物理溶解作用并不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)而遭受的破壞。許多金屬在高溫熔鹽，熔堿及液態(tài)金屬可發(fā)生這種腐蝕。

2.2 按金屬腐蝕的破壞形式分類

全面腐蝕：指均勻腐蝕或不均勻腐蝕，金屬表面被全部破壞。這種腐蝕現(xiàn)象比較明顯，金屬發(fā)生的氧化還原反應(yīng)區(qū)域較小，腐蝕情況較輕，因此對(duì)于金屬設(shè)備等產(chǎn)生的危害較小[1]。

局部腐蝕：局部腐蝕是相對(duì)于全面腐蝕來說的。局部腐蝕只集中在金屬器具的某一部分，它很難被人們所察覺注意到。并且發(fā)生局部腐蝕時(shí)，金屬陰陽兩極區(qū)域分開，陰極區(qū)域比陽極區(qū)域大，基于此局部腐蝕的強(qiáng)度較大。全面腐蝕雖然可以造成大面積的損傷，但局部腐蝕難以預(yù)測(cè)和預(yù)防，往往在沒有先兆的情況下發(fā)生破壞，給我們?cè)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的可能威脅人的生命安全。

局部腐蝕的主要類型分為以下幾個(gè)方面：第一方面是點(diǎn)蝕現(xiàn)象，當(dāng)金屬在某種環(huán)境介質(zhì)中經(jīng)過一段時(shí)間后，金屬表面大部分不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，只在個(gè)別表面或部位出現(xiàn)腐蝕小孔或麻點(diǎn)。第二方面是晶間腐蝕，金屬的微觀結(jié)構(gòu)存在這晶界，晶間腐蝕是金屬的晶界受到破壞的現(xiàn)象。通常由表面向內(nèi)部延伸，使原子間結(jié)合力降低或喪失，使金屬遭到毀滅性的破壞。這種腐蝕現(xiàn)象只能夠顯微鏡才能夠觀察的到，不易發(fā)覺，危害性極大。其通常表現(xiàn)為敲擊金屬表面不發(fā)生清脆的響聲。第三方面是縫隙腐蝕，金屬制品的鏈接出通常會(huì)存在間隙，這就是縫隙腐蝕發(fā)生的地方，這種腐蝕會(huì)導(dǎo)致縫隙內(nèi)介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，引起縫隙內(nèi)或附近金屬的加速腐蝕。

應(yīng)力作用下的腐蝕：應(yīng)力腐蝕是指金屬受到外加應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的復(fù)合作用所開裂及斷裂失效現(xiàn)象。我們所制造的金屬設(shè)備通常都會(huì)收到外加載荷的作用，例如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等方式直接作用于金屬上，或通過接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、高速流體的流動(dòng)沖擊金屬表面。應(yīng)力腐蝕又包括腐蝕開裂、氫致開裂、腐蝕疲勞，沖刷疲勞等等。

2.3 按金屬腐蝕環(huán)境分類

大氣腐蝕（干腐蝕）：指金屬處在大氣中所遭受的腐蝕，其特點(diǎn)為腐蝕范圍廣，數(shù)量多。因?yàn)楹芏嘟饘偎幁h(huán)境都暴露于大氣中。

工業(yè)介質(zhì)中的腐蝕：包括酸、堿、鹽及有機(jī)溶液中的腐蝕。

熔融金屬的腐蝕：通常為物理作用的破壞。

微生物腐蝕：實(shí)質(zhì)上也是電化學(xué)腐蝕。指金屬所處環(huán)境中含有微生物，由微生物改變了金屬的某些性質(zhì)。

3 金屬腐蝕的危害

金屬的腐蝕不僅有破壞性也具有廣泛性。金屬材料廣泛應(yīng)用在我國社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，如基礎(chǔ)公共設(shè)施、交通行業(yè)、生產(chǎn)制造及公共事業(yè)等等。因此金屬腐蝕也將發(fā)生在這些領(lǐng)域。

金屬腐蝕所造成的破壞會(huì)影響金屬設(shè)備的使用，從而導(dǎo)致機(jī)械生產(chǎn)效益不達(dá)標(biāo)進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)調(diào)查研究，在2014年中國直接腐蝕成本達(dá)到10639.1億人民幣，相當(dāng)于中國公民人均一年花費(fèi)1555元，這不僅僅是經(jīng)濟(jì)上的損失，更是金屬資源的損失[4]。

金屬的腐蝕也發(fā)生在各種化學(xué)，化工企業(yè)。在這些企業(yè)中如果發(fā)生金屬腐蝕從而產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致有毒原料泄露。污染周邊環(huán)境，可能會(huì)威脅到人們的生命安全。2013年的青島市黃島區(qū)，因?yàn)楣艿栏g導(dǎo)致管道壁減薄引起了輸油管線爆炸。2014年的臺(tái)灣高雄多條街道發(fā)生了可燃?xì)怏w外泄并引發(fā)了大爆炸導(dǎo)致多人死亡和受傷，事后調(diào)查其根源，發(fā)現(xiàn)也是由金屬腐蝕所引起的。

只要我們做好金屬材料腐蝕的防護(hù)與控制，就可以從很大程度上減小上述現(xiàn)象以及減少我們國家的經(jīng)濟(jì)損失，還能在一定程度上保障我們的生命安全。

4 金屬材料的腐蝕防護(hù)分析

實(shí)際上除了研究金屬腐蝕的機(jī)理和危害，國內(nèi)外的學(xué)者更致力于通過了解腐蝕形成的機(jī)理怎樣去解決金屬腐蝕的危害，去研究防腐的方法，讓金屬資源更好的服務(wù)于人類社會(huì)[3]。目前，在學(xué)術(shù)界對(duì)于防腐技術(shù)有著日新月異的發(fā)展，研究日益豐富，見解不一，下文將闡述幾種主要的防腐方法。

4.1 金屬涂鍍層保護(hù)法

金屬涂鍍層保護(hù)法指在金屬表面覆蓋了一層薄膜，這層薄膜不僅可以防腐蝕還可以為金屬表面提供其它性能。這種保護(hù)方法非常實(shí)用，具有高效率、使用便捷及操作方便等特點(diǎn)，因此國家也在大力推廣發(fā)展相應(yīng)技術(shù)[2]。但這種方法也有其弊端，需要考慮鍍層與金屬間的反應(yīng)和其鍍層的老化速度。金屬涂鍍層的方法主要有熱浸鍍、機(jī)械鍍、刷鍍、電鍍、化學(xué)鍍、滲鍍和熱噴涂。

涂鍍層保護(hù)法中熱噴涂應(yīng)用最為廣泛，熱噴涂是用熱源將涂層材料加熱到融化狀態(tài)，隨后用高速氣流將其噴射到金屬表面形成薄膜。熱噴涂的技術(shù)特點(diǎn)是：噴涂效率極高；能夠噴涂金屬、陶瓷、木材及玻璃等各種固體表面不僅僅是金屬表面；噴涂后可賦予材料更多的性能，例如更高的強(qiáng)度，耐磨性和抗高溫氧化性等，更重要的是它可以應(yīng)用于各種尺寸的金屬工件進(jìn)行噴涂。

4.2 電化學(xué)保護(hù)

電化學(xué)保護(hù)法分為陽極保護(hù)法和陰極保護(hù)法，其主要原理是利用電化學(xué)反應(yīng)，金屬在外加電流的控制下可以鈍化，不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而獲得保護(hù)。這種方法主要應(yīng)用在各種地下建筑物，水下建筑或海洋工程，這類型建筑容易構(gòu)建電化學(xué)保護(hù)方法，并且它被認(rèn)為是一種極為經(jīng)濟(jì)的保護(hù)方法，例如一艘輪船在建造過程中，如果采用金屬涂鍍層保護(hù)法，涂裝費(fèi)用將高達(dá)5%，而電化學(xué)保護(hù)法僅為1%。

4.3 緩蝕劑保護(hù)法

緩蝕劑保護(hù)法不同于別的保護(hù)方法，它是將緩蝕劑加入到金屬材料所處的環(huán)境介質(zhì)中，防止或減慢腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或幾種化學(xué)物質(zhì)。一般情況下，加入微量或少量的緩蝕劑即可達(dá)到目的，使腐蝕速度顯著降低或不被腐蝕，還可保障金屬原有性質(zhì)不被改變。緩蝕劑特點(diǎn)為設(shè)備簡(jiǎn)單方便操作、用量少，效率高等。如今已經(jīng)應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械制造等行業(yè)。

緩蝕劑根據(jù)化學(xué)性質(zhì)可分為有機(jī)緩蝕劑和無機(jī)緩蝕劑。無機(jī)緩蝕劑能在金屬表面形成薄膜，使金屬與介質(zhì)分開。而在酸性介質(zhì)中，無機(jī)緩蝕劑效率極低，因而常采用有機(jī)緩蝕劑。

5 結(jié)語

綜上所述，金屬材料在我國的發(fā)展歷程中扮演著重要的角色，涉及到許多重要領(lǐng)域，因此金屬防腐蝕也是我國學(xué)者研究的主要內(nèi)容。目前所掌握的防腐技術(shù)日新月異高速發(fā)展，呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)，研究也趨向于實(shí)用。但我國的防腐技術(shù)仍不能與世界頂尖水平相比較，仍有很長(zhǎng)的路要走。面對(duì)一些新型材料防腐技術(shù)以及一些更加復(fù)雜的環(huán)境對(duì)我們都將是一個(gè)考驗(yàn)。因此進(jìn)一步研究發(fā)展金屬材料的防腐技術(shù)仍具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。