金屬材料防腐能力改進(jìn)路徑探析

謝中柱，許并社，樊建鋒

1太原學(xué)院機(jī)電工程系；2太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心；3太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

金屬材料防腐能力改進(jìn)路徑探析

謝中柱123，許并社23，樊建鋒23

1太原學(xué)院機(jī)電工程系；2太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心；3太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

由于金屬的化學(xué)特性，使得金屬材料很容易被腐蝕。目前金屬材料被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，腐蝕問題嚴(yán)重的影響了金屬材料的使用壽命，并且會帶來安全性問題，因此金屬的防腐是科學(xué)工作者重要的研究課題，本文從影響金屬腐蝕的因素分析，對金屬防腐的方法進(jìn)行探究。

金屬材料；防腐；探究

目前，金屬材料被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對人們的生活有些重要的作用。每年由于腐蝕造成的大量的金屬材料浪費(fèi)，這極大的浪費(fèi)了資源，也給人們造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。金屬的腐蝕是有金屬自身的化學(xué)性質(zhì)決定的，金屬的腐蝕是一種化學(xué)變化，是一種化學(xué)反應(yīng)，金屬的活動性決定了金屬腐蝕的嚴(yán)重程度。我們要防止金屬發(fā)生腐蝕，就必然要求我們從金屬腐蝕的原理出發(fā)，采用物理隔離、化學(xué)防腐蝕等方面著手。隨著社會的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域金屬的防腐能力也提出了越來越高的要求，需要研究人員對金屬防腐方法進(jìn)行深入的研究。眾所周知，在工業(yè)化初期，我們對金屬制品的防腐措施還很簡單，還很不成體系。但是到今天，我們的工業(yè)社會高度發(fā)達(dá)，以鋼鐵制成品為主的多種金屬制品正在改變著我們的生活，這些金屬材料同樣也在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且對防腐蝕工作提出了更高的要求。

1 金屬材料的腐蝕概念及類型

金屬由于外部介質(zhì)的化學(xué)作用或者電化學(xué)作用而引起的破壞稱為腐蝕。對于材料來講，沒有哪一種材料能夠絕對耐腐蝕，一定類型的材料只有在一定的壓力、溫度、操作介質(zhì)類型等因素的條件下，才具有耐腐蝕能力。不同的材料的耐腐蝕能力也存在差異，金屬材料的耐腐蝕性能跟金屬的種類有很大關(guān)系，一般人們通過金屬的腐蝕速度來判斷金屬的耐腐蝕能力。評定金屬材料是否受到腐蝕的方法有視覺觀察、質(zhì)量觀察、電阻變化等因素，根據(jù)造成金屬腐蝕的原因可以將金屬的腐蝕分為兩類，分別是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕[1]，而電化學(xué)腐蝕造成的金屬腐蝕速度和嚴(yán)重程度都要高于化學(xué)腐蝕。

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是一種不太普遍的腐蝕方式，一般是金屬和所接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程。化學(xué)腐蝕是金屬和非電解質(zhì)之間的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成的破壞，例如鐵在干燥空氣下的腐蝕，這種化學(xué)反應(yīng)遵循多相反應(yīng)動力學(xué)的基本規(guī)律，在化學(xué)腐蝕過程中不會出現(xiàn)電流。化學(xué)腐蝕通常在金屬和干燥的空氣或者非電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生，高溫下各種氣體和金屬的反應(yīng)也屬于化學(xué)腐蝕。在化學(xué)腐蝕過程中一般會出現(xiàn)不同厚度的膜，它是影響金屬腐蝕速度的重要因素。化學(xué)腐蝕對于金屬的破壞能力相對較低，腐蝕速度相較于電化學(xué)腐蝕也要慢。

1.2 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕一種普遍存在的、具有很強(qiáng)破壞力的金屬腐蝕方式。電化學(xué)腐蝕是金屬和和周圍的電解質(zhì)發(fā)生作用，形成腐蝕電池，并從熱力學(xué)的不穩(wěn)定狀態(tài)變到穩(wěn)定狀態(tài)，并對金屬結(jié)構(gòu)造成破壞的過程，在這個(gè)過程中金屬中會出現(xiàn)電流。生活中的電化學(xué)腐蝕有鋼鐵在潮濕的空氣中生銹和金屬在酸中的溶解等，一般來說金屬腐蝕的主要因素是電化學(xué)腐蝕。金屬的腐蝕還可以根據(jù)腐蝕環(huán)境分為大氣腐蝕、水腐蝕、土壤腐蝕和化工介質(zhì)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是我們在金屬防腐工作中的重點(diǎn)。

2 影響腐蝕的因素

2.1 金屬本身因素的影響

金屬的腐蝕和自身的內(nèi)在條件有很大的關(guān)系，如金屬的表面狀態(tài)、應(yīng)力和自身內(nèi)部組織等因素都對金屬的腐蝕有影響。表面狀態(tài)良好的金屬相對于表面狀態(tài)不好的金屬來講就更耐腐蝕，應(yīng)力對金屬的腐蝕有加速作用，尤其是當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)，其加速金屬腐蝕的同時(shí)還會破壞金屬的晶格機(jī)構(gòu)，危害更大。對于合金來說，其內(nèi)部成分對于腐蝕的速度也有影響，例如鋼中的碳元素就會因?yàn)榕c鐵組成原電池為加速鋼鐵的腐蝕，而在鋼鐵中添加鉻元素則可以減緩鋼的腐蝕速度。

2.2 外部條件的影響

影響鋼鐵腐蝕速度的外部條件有很多，例如操作介質(zhì)、溶液運(yùn)動速度。溫度和壓強(qiáng)等因素都會影響金屬的腐蝕。操作介質(zhì)中對金屬腐蝕速率影響最大的因素是pH值，它是來判斷電解質(zhì)溶液性質(zhì)的重要指標(biāo)。pH對于金屬腐蝕的影響則比較復(fù)雜，在酸性條件下一般會加快金屬的腐蝕速率，但是在氧化性酸中，例如硝酸或者濃度大于百分之七十的硫酸中，部分金屬可以形成致密的氧化物薄膜來阻止其繼續(xù)被腐蝕，例如金屬鋁就可以在硝酸中形成致密的三氧化二鋁薄膜。在堿性溶液中電解質(zhì)內(nèi)形成不溶物時(shí)會減小腐蝕速度，反之則會增大腐蝕速度。介質(zhì)溶液中的氯離子等也會加大金屬的腐蝕速度。一般來說溫度越高，對于金屬的腐蝕速度會增大。隨著壓強(qiáng)的增大會造成溶液中氣體的溶解度增大，從而加大金屬的腐蝕速度。在不少金屬設(shè)備中接觸運(yùn)動溶液也會加速金屬的腐蝕。

3 金屬材料防腐方法

3.1 根據(jù)不同條件選擇金屬材料

金屬材料被廣泛的應(yīng)用于各種環(huán)境之中，但目前還沒有發(fā)現(xiàn)任何一種金屬在一切介質(zhì)之下都可以耐腐蝕，因此需要合理的選擇材料，是金屬材料避開那些對其有高腐蝕性的材料，將金屬材料更多的應(yīng)用于其耐腐蝕的介質(zhì)之中。例如盡量不能將鐵、銅直接接觸使用，這樣會加速鐵的腐蝕。這種方式并不需要對金屬材料進(jìn)行處理就可以較少金屬的腐蝕，防止不必要的資源浪費(fèi)。同時(shí)在一些環(huán)境中可以采用非金屬材料例如陶瓷、石墨等來代替金屬材料，這些材料都具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，比金屬材料更加耐腐蝕。

3.2 基于電化學(xué)的保護(hù)方法

此前我們已經(jīng)介紹過了電化學(xué)腐蝕是金屬最主要的腐蝕方式，根據(jù)其腐蝕金屬的原理對金屬進(jìn)行保護(hù)。基于電化學(xué)的金屬防腐蝕主要由陽極保護(hù)或者陰極保護(hù)來實(shí)現(xiàn)。陽極保護(hù)是通過電流使陽極極化，提高陽極的電極電位，此時(shí)陰陽極之間的電位差減小，從而減緩金屬的腐蝕速度。陰極保護(hù)則是通過陰極的極化來實(shí)現(xiàn)的，在導(dǎo)電介質(zhì)中將金屬接到直流電源的負(fù)極上，并且使電流通過，就可以使陰極極化，這種方法的能夠比較的阻止金屬被腐蝕，被廣泛的應(yīng)用于管道的防腐蝕之中。

3.3 對金屬進(jìn)行覆蓋

在金屬表面上覆蓋一層保護(hù)層是一種常用的保護(hù)金屬不被腐蝕的方法，金屬表面被覆蓋后無法與介質(zhì)接觸，這樣金屬就不能和介質(zhì)形成腐蝕電池，能夠防止金屬背腐蝕。這種方式要求保護(hù)層和金屬能夠很好地粘合，同時(shí)可以有效的阻止金屬和介質(zhì)的接觸，同時(shí)不影響金屬的強(qiáng)度等性質(zhì)。金屬的保護(hù)層主要有非金屬保護(hù)層、金屬保護(hù)層、化學(xué)保護(hù)層等。非金屬保護(hù)層就是將非金屬的有機(jī)或者無機(jī)化合物涂抹在金屬的表面，例如人們通常用油漆覆蓋鋼鐵來保護(hù)其不受腐蝕。金屬保護(hù)層也是將金屬或者合金作為保護(hù)層覆蓋在受保護(hù)金屬之上，來減緩受保護(hù)金屬的腐蝕，像在金屬表面鍍銅等金屬的工藝已經(jīng)比較成熟。化學(xué)保護(hù)層是通過化學(xué)或電化學(xué)方法，在金屬的表面上形成一層非金屬膜，這種膜可以減少金屬的腐蝕，這種方法是有關(guān)人員目前研究的熱門方向。

將金屬進(jìn)行磷化工藝處理是化學(xué)保護(hù)層方法的一種，其具體的操作方法是將表面清潔的鋼鐵放入磷酸鹽中浸泡，經(jīng)過一段時(shí)間之后金屬表面就是形成一種不溶于水的磷化物膜，這層磷化物保護(hù)膜膜可以阻止金屬進(jìn)一步被腐蝕。同樣的還可以讓金屬表面生成一層氧化物保護(hù)膜來阻止金屬被腐蝕，其主要工藝是用強(qiáng)氧化劑和燒堿對鋼鐵進(jìn)行熱處理，是鋼條表面生成一種氧化物膜，這層膜也可以保護(hù)鋼鐵不受腐蝕。

3.4 離子注入工藝

離子注入工藝主要是利用對金屬表面進(jìn)行改性來進(jìn)行金屬防腐的。經(jīng)過大量的研究和實(shí)驗(yàn)證明，離子注入工藝可以提高金屬材料的摩擦因素、抗腐蝕性和抗氧化性等性能，從而使金屬材料的使用性能得到提升。離子注入工藝和傳統(tǒng)的金屬防腐方法有很大的不同，它是利用高能量的離子的沖擊金屬表面來改變金屬的表面性質(zhì)，從而提高金屬材料的防腐能力。為了增強(qiáng)金屬的耐腐蝕能力，可以通過離子注入工藝在金屬材料中注入比其生成氧化物自由能高的元素，使金屬材料表面形成致密的金屬氧化物薄膜。通過離子注入工藝提升金屬表面耐腐蝕性能的方式主要有三種：第一，使金屬表面形成穩(wěn)定的合金，例如將Cr、Mn等金屬元素注入到Fe的表面來形成不銹鋼的表面。第二，使金屬表面生成有利于改進(jìn)金屬耐腐蝕能力的化合物，這種方法可以通過注入非金屬元素的方式來實(shí)現(xiàn)。第三，使金屬表面形成無序態(tài)來改變金屬的防腐蝕性能，可以通過注入B、S等元素來實(shí)現(xiàn)。離子注入工藝在金屬防腐方面在未來還有比較大的前景。

結(jié)論

現(xiàn)在金屬材料被人們廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在未來也會是一種重要的材料，但是金屬的腐蝕嚴(yán)重的影響了人們對金屬的使用，限制了金屬材料在人們生產(chǎn)生活中的作用，因此需要更多的研究金屬防腐蝕的方法，以更好的發(fā)揮金屬材料對人類的作用。目前金屬腐蝕原因主要化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其中電化學(xué)腐蝕的破壞能力更強(qiáng)，是金屬腐蝕的主要原因。目前金屬的防腐措施主要有電化學(xué)方法，和對金屬進(jìn)行包覆的方法，還需要研究人員不斷的努力研究金屬防腐的新方法。

[1]鄭玲.探討金屬材料防腐能力優(yōu)化對策[J].科學(xué)之友,2013 (8):15-16.

[2]張志高,王鋒,郭建達(dá).金屬材料防腐能力改進(jìn)路徑探析[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(13):201-201.

[3]吳國波.金屬材料的腐蝕與防腐措施研究[J].科學(xué)故事博覽, 2009，(8):50-52.

[4]徐小剛.化工腐蝕與防護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010: 121

[5]王茗,史慶南,陳勇軍.離子注入材料表面改性的研究進(jìn)展[J].云南冶金,2003,32(2):54-56.