金屬材料的腐蝕與防護措施研究

王亞健

前言

隨著我國經濟快速發展，鋼鐵等金屬材料的產量和消耗量日益增大，這些金屬材料在長期使用過程中，面臨的一個主要問題就是腐蝕問題，腐蝕會造成材料損壞，影響其性能作用的有效實現。為確保金屬材料的使用性能，明確金屬材料腐蝕的原因，采取科學的防腐措施，實現金屬材料性能的優化，延長金屬材料使用壽命已成為相關領域研究的重點。

1 金屬材料的腐蝕及其危害

1.1 金屬材料的腐蝕

金屬材料的腐蝕是指金屬材料與其周圍介質接觸時發生化學或電化學反應而引起的一種破壞金屬材料自身的現象。自然界中，大部分金屬以其各種化合物形式存在，而金屬元素的化學活性通常高于其化合物，因此這些金屬會自發地演變成它們在自然界中的本身存在狀態，所以金屬腐蝕是自發的、普遍存在的一種現象，是不可避免的。

根據金屬材料腐蝕發生的機理，通常可將腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是指金屬材料與周圍介質中存在的非電解質發生接觸后，發生了氧化還原化學反應，是金屬表面的原子與腐蝕介質產生直接作用而形成的腐蝕現象，如金屬材料在有機溶液（芳香烴、原油等）中所發生的腐蝕。電化學腐蝕主要是指金屬材料與電解質進行接觸后，金屬表面與電解質溶液發生化學反應，進而形成吸氫腐蝕或析氫腐蝕的腐蝕現象，如碳鋼與空氣中的氧氣、二氧化碳以及水等發生吸氧或析氫作用，最后變成鐵銹。

1.2 腐蝕的危害

腐蝕會弱化金屬材料的強度和機械性能，縮短其使用壽命，甚至造成金屬材料無效化，造成經濟損失。據報道，我國2014年由腐蝕造成的經濟損失就已超過2萬億人民幣。在世界范圍內，腐蝕引起的經濟損失超出想象。腐蝕引起的損失還包括金屬冶煉與回收金屬時消耗的能源[1]。同時腐蝕也會引起土地資源和水資源的污染。腐蝕還會造成工業設備、橋梁建筑和船舶等設備設施的損壞，輕則造成經濟損失，重則會危害人身安全，許多的事故就是由腐蝕直接或者間接導致的。因此，金屬材料的防腐蝕研究意義重大。

2 金屬材料的腐蝕防護措施

2.1 科學合理的選材

科學合理的選材是金屬材料防腐措施中的基礎措施。①應對材料的應用環境及潛在的腐蝕因素進行調研分析，根據分析結果選擇。②建立模擬環境進行測試實驗或進行數值模擬預測研究[2]，根據模擬測試結果合理選用滿足使用需求的材料。此外，應綜合衡量材料的經濟性和耐腐蝕性，選用不同層次的耐蝕合金，如304、316型等通用不銹鋼、奧氏體不銹鋼（20號合金）和鈦、鈦合金及鋯材等。

2.2 改善金屬材料構成

基于現代科學技術與制造工藝技術高速發展的基礎上，對不同性能的金屬材料進行優化設計，或在原金屬材料的基礎上適當添加其他材料或合金元素進行整體性能的提升，從而增強材料的抗腐蝕性，防止或減緩腐蝕，如在普通的碳鋼中加入鎳鉻等元素制成不銹鋼可以增強防腐蝕能力。

2.3 控制和改善腐蝕環境

通過控制和改善腐蝕環境對減緩和防止腐蝕現象的發生同樣具有重要意義。例如減少腐蝕介質的濃度、除去介質中的氧、控制環境溫度和濕度等因素都可以減緩和防止金屬的腐蝕。此外，也可向腐蝕介質中添加能降低腐蝕速率的物質（緩蝕劑）來減緩和防止腐蝕現象的發生[3]。

2.4 電化學保護

電化學保護法是根據電化學原理在金屬材料上采取相應的措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，進而防止或減緩材料腐蝕的發生。一種是通過外加電流，使要被保護的金屬成為陰極，而另外一極則為陽極，從而使得陰極金屬被保護免于遭受腐蝕。另一種方法則是犧牲陽極保護法，即將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構成原電池，還原性較強的金屬將作為負極發生氧化反應而消耗，被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕。電化學保護法通常用于海水、河流中的船舶、設備或土壤中管道設備的腐蝕防護工作，常用的犧牲陽極材料有鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極等。

2.5 表面涂層防護

通過在金屬表面涂裝保護性覆蓋層，隔絕金屬與腐蝕介質之間直接接觸，或者利用涂裝層對基本金屬的電化學保護或緩蝕作用，從而達到防止金屬腐蝕的目的。金屬的表面處理方法有很多種，保護性覆蓋層的形成主要以金屬鍍層、非金屬涂層為主，處理工藝主要有電鍍、化學鍍、機械鍍、表面涂覆等工藝方法。其中電鍍技術具有工藝簡單，工藝參數易于控制，成本低等優點，在金屬防腐中被廣泛應用[4]。

3 結束語

綜上所述，金屬材料具有重要的應用價值，金屬材料的腐蝕防護工作也是科技工作者研究的重要課題。目前，隨著對金屬材料腐蝕工作的深入研究，金屬材料防腐技術與工藝已取得了一定的成效，但部分具備強抗腐蝕能力的新材料由于成本原因在推廣使用過程中受到限制，一些防腐工藝方法也面臨危害環境、工藝成本高、操作條件復雜等問題。因此，進一步開展金屬材料的腐蝕防護措施研究具仍有重要研究價值與現實意義。

[1]王彩云.金屬腐蝕的危害及防護[J].機械管理開發，2012（5）：111～112.

[2]吳海鵬，王正曦，梁釗源，等.數值模擬在金屬腐蝕與防護領域的應用研究現狀[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018（3）：142～148.

[3]白煜磊，王瀟，張志向.電化學法研究金屬防腐的新進展[J].天津化工，2018（1）：3～5.

[4]喻濟兵.電鍍鋅技術在工業中的發展和應用[J].船電技術，2018（2）：35，49.