機(jī)械加工中金屬材料腐蝕與防護(hù)措施

徐俊陽(yáng)，陳 晨

（1. 沈陽(yáng)富創(chuàng)精密設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000 ；2. 吉林安德電化科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

當(dāng)機(jī)械加工中金屬材料出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明該金屬材料的自身強(qiáng)度已經(jīng)降低了，從而導(dǎo)致機(jī)械加工中以金屬為主要成份的設(shè)備的機(jī)械性能有所降低，使用壽命大幅度縮短，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失或者工作失誤。近兩年來(lái)，根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，每年我國(guó)機(jī)械加工中金屬材料腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了將近兩萬(wàn)億元，而在全球，每年由于金屬材料腐蝕產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失金額已經(jīng)龐大到難以估計(jì)了。機(jī)械加工中金屬材料腐蝕不僅造成了大幅度的經(jīng)濟(jì)損失，由于金屬材料腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致加工工作中斷，重新尋找材料加工，在這一過(guò)程中，又需要消耗大量的能源，既增加了時(shí)間成本，又造成了大量的不可再生能源損耗。另外，金屬材料腐蝕后，對(duì)于水資源和土地資源都會(huì)有一定的污染，污染程度大的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生更加難以預(yù)料的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)＜暗缴锏纳踩Ｋ裕瑢?duì)機(jī)械加工中金屬材料腐蝕的防護(hù)是迫在眉睫的工作，防護(hù)措施的提出基于使金屬材料腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及物理反應(yīng)等其他造成金屬材料腐蝕的原因，展開(kāi)研究。

1 機(jī)械加工中金屬材料腐蝕的原因

機(jī)械加工中的金屬材料主要通過(guò)形成金屬氧化物[1]這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)于低能量狀態(tài)的趨近，并且保持性能逐漸穩(wěn)定。金屬材料中最具有代表性的穩(wěn)定金屬，金、銀兩種材料在原始環(huán)境下就以氧化物的狀態(tài)呈現(xiàn)了。然而，金屬材料在氧化物狀態(tài)下，難以得到使用，所以在進(jìn)行機(jī)械加工之前，必須對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的提取，才能得到有用的金屬材料。當(dāng)還是氧化物狀態(tài)的金屬材料被提取之后，穩(wěn)定性就會(huì)下降，便極容易發(fā)生腐蝕，影響機(jī)械加工的進(jìn)程，并且造成經(jīng)濟(jì)損失。金屬材料產(chǎn)生腐蝕的原因主要為電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕以及其他腐蝕這三大類(lèi)，其中，機(jī)械加工中金屬材料的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的環(huán)境類(lèi)型最為復(fù)雜，如表1 所示。

在不同溫度的加工環(huán)境下，兩種金屬腐蝕的腐蝕部位和環(huán)境成分均不同，具體的腐蝕類(lèi)型可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。

1.1 電化學(xué)腐蝕

機(jī)械加工中，金屬材料電化學(xué)腐蝕一般是產(chǎn)生于比較潮濕的環(huán)境中，金屬材料與潮濕環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，電化學(xué)腐蝕主要發(fā)生的是析氫反應(yīng)[2]，以鐵為例，反應(yīng)方程式為：

式中，e 為電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng)后，氫離子得到電子生成氫氣。在干燥的空氣中，金屬是不容易生銹的，因?yàn)楸仨氃诟邷貤l件下，鋁 2Cl 和二氧化硫 2SO 才會(huì)與鐵Fe 在氧氣 2O 的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而在潮濕的環(huán)境中，空氣中的二氧化碳 2CO 、二氧化硫 2SO 、硫化氫 2H S 等一些酸性氣體會(huì)與水滴融合，從而形成能夠促使金屬發(fā)生析氫腐蝕的弱酸性電解質(zhì)，并且生成微電流，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

1.2 化學(xué)腐蝕

金屬材料化學(xué)腐蝕是在金屬表面與非電解質(zhì)液或者其他介質(zhì)之間直接發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，其中沒(méi)有產(chǎn)生電流，反應(yīng)速度隨著金屬活潑性的遞增而逐漸增快，并且環(huán)境中的溫度越高、氧化劑濃度越大，越容易發(fā)生腐蝕。以活潑金屬銅為例，銅的氧化方程式為：

表1 機(jī)械加工中金屬材料的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕環(huán)境

式中，Cu 為銅元素，2O 為氧氣，CuO 為氧化銅，銅Cu 直接把電子傳遞給了氧氣 2O 這一類(lèi)的氧化劑，從而發(fā)生化學(xué)腐蝕。

1.3 其他腐蝕

機(jī)械加工中金屬材料腐蝕的原因除了主要的電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕之外，還有少數(shù)情況下的晶間腐蝕，也就是在金屬材料的晶界產(chǎn)生局部腐蝕現(xiàn)象，這種腐蝕情況下，金屬的表面沒(méi)有明顯變化，但是由這類(lèi)金屬組成的機(jī)械的性能會(huì)明顯下降。另外機(jī)械加工中金屬材料腐蝕還有經(jīng)常發(fā)生的磨損腐蝕和應(yīng)力腐蝕，在潮濕環(huán)境下，金屬材料與流體之間不斷的機(jī)械性摩擦十分容易造成金屬腐蝕。在機(jī)械加工過(guò)程中，金屬材料一直處于受力狀態(tài)，一般表現(xiàn)為拉伸力、震動(dòng)力和交變應(yīng)力等，在潮濕環(huán)境下，這些力直接對(duì)金屬材料產(chǎn)生作用，使其出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

2 機(jī)械加工中金屬材料腐蝕防護(hù)措施

2.1 合理選擇金屬材料

在機(jī)械加工中，最直接的防護(hù)金屬材料腐蝕的措施就是在進(jìn)行加工之前，合理選擇金屬材料，從根本上防護(hù)。在使用金屬材料前，首先，調(diào)查清楚該金屬材料加工時(shí)所處的環(huán)境，和該金屬材料容易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象的因素，確保該金屬材料所處的加工環(huán)境不會(huì)增加其腐蝕速度。另外，金屬材料的加工環(huán)境必須隨著材料的不同而改變，例如對(duì)于容易發(fā)生高溫氧化腐蝕的金屬材料，要避免在高溫環(huán)境下進(jìn)行加工，對(duì)于在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕的金屬材料，在其加工時(shí)，應(yīng)該盡量保持環(huán)境的干燥，從而實(shí)現(xiàn)減少金屬腐蝕。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，可以直接對(duì)金屬材料進(jìn)行優(yōu)化，降低其腐蝕性，可以在原始金屬材料中添加抑制腐蝕的相關(guān)元素，提高其耐腐蝕性，例如在碳鋼金屬材料中加入鉻元素之后，該材料的耐腐蝕性會(huì)大幅度提升。

2.2 采用電弧噴涂

電弧噴涂[3]防止金屬材料腐蝕，就是在進(jìn)行機(jī)械加工前，采用電弧噴涂相關(guān)的電源，分別把電源的兩根金屬絲連接到電弧槍的端點(diǎn)處，在兩者接觸的一瞬間會(huì)發(fā)生電弧熔化現(xiàn)象，并產(chǎn)生高溫液滴，此時(shí)，對(duì)其進(jìn)行霧化或者壓縮，并將其噴涂到金屬材料的表面，從而在金屬材料的表面直接形成保護(hù)涂層。如圖1 所示。

這一方法中，金屬絲熔化時(shí)，其溫度能夠達(dá)到6000 攝氏度，極高的溫度降低了高速型噴涂顆粒和半熔化金屬絲產(chǎn)生，當(dāng)高溫度的噴涂粒子撞擊到圖層上時(shí)，涂層與基體直接強(qiáng)勢(shì)結(jié)合，保證了該電弧涂層的強(qiáng)大的牢固性，能夠使其在彎曲和被激烈碰撞的情況下，依然保持完整性，不會(huì)發(fā)生脫皮的現(xiàn)象。另外，電弧噴涂層有很高的防腐作用，在極易發(fā)生腐蝕的環(huán)境下，即使金屬材料的防腐涂層已經(jīng)發(fā)生了破損，該涂層仍然具有保護(hù)下面的金屬材料的作用，能夠有效地阻止腐蝕進(jìn)一步蔓延。

圖1 電弧噴涂原理

2.3 采用陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)法是以電化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，將機(jī)械加工中金屬材料腐蝕的部分轉(zhuǎn)化為電池的陰極。而陰極保護(hù)法可以細(xì)分為兩種相反的方法，一種是犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極法，另一種是直接外加電流保護(hù)陰極。在機(jī)械加工中，比較適用的方法是犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極法，所用金屬材料為鋁、鋅等比較穩(wěn)定的合金金屬，用金屬材料中的電極電勢(shì)低于被保護(hù)金屬的材料做陽(yáng)極，使其形成腐蝕電極，從而保護(hù)了作為陰極的金屬。需要注意的是，在進(jìn)行該方法時(shí)，需要充足的電位，并且保證作為陽(yáng)極的金屬的極化率足夠小，其表面不能生成抗腐蝕的保護(hù)膜，且陽(yáng)極溶解過(guò)程必須均勻，以保證整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)最高效，達(dá)到最佳腐蝕防護(hù)效果。

2.4 表面涂料

表面涂料是最直接的物理金屬材料腐蝕防護(hù)方法，就是直接在金屬材料的表面涂上油漆，形成油漆涂層進(jìn)行腐蝕防護(hù)。在金屬材料表面形成油漆涂層之后，就相當(dāng)于直接把金屬材料與外界的誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)阻斷開(kāi)，從而阻止其中的電子交換，降低金屬材料出現(xiàn)腐蝕。另外，對(duì)于油漆涂層的選擇應(yīng)該根據(jù)金屬材料的特性和機(jī)械加工的環(huán)境進(jìn)行靈活變更，進(jìn)行表面涂料前，需要根據(jù)金屬特性和加工環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)挠推幔跈C(jī)械加工過(guò)程中，及時(shí)對(duì)油漆圖層進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，定期對(duì)其進(jìn)行檢查，延長(zhǎng)該圖層的使用壽命，進(jìn)而延緩該金屬材料的腐蝕。

2.5 加入緩蝕劑

用緩蝕劑防止機(jī)械加工中金屬材料腐蝕是最方便的一種措施，該方法是將緩蝕劑直接噴在金屬材料表面，使緩蝕劑與金屬材料本身發(fā)生作用，在金屬材料表面形成保護(hù)膜，防止繼續(xù)腐蝕。采用緩蝕劑腐蝕防護(hù)法時(shí)，不需要改變機(jī)械加工的環(huán)境，不需要改變金屬材料本身的結(jié)構(gòu)和特性，操作簡(jiǎn)單，效果迅速，即經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。值得注意的是，緩蝕劑具體有三種作用，沉淀作用是金屬中的陽(yáng)離子與緩蝕劑中無(wú)機(jī)鹽的陽(yáng)離子在該金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一層保護(hù)膜，進(jìn)而防止金屬腐蝕。氧化作用是緩蝕劑中無(wú)機(jī)鹽可以作為強(qiáng)氧化劑使用，可以直接與金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，而在金屬材料表面成膜，保護(hù)金屬不腐蝕，但發(fā)生該作用時(shí)，需要注意緩蝕劑的量，當(dāng)緩蝕劑用量不夠時(shí)，反而會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了機(jī)械加工中金屬材料腐蝕主要原因，總結(jié)出電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕以及屬于物理腐蝕的其他腐蝕原因，并基于其電化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)提出相應(yīng)的金屬材料腐蝕防護(hù)措施，能夠降低機(jī)械加工中金屬材料的腐蝕率，從而降低了能源的消耗，減小了環(huán)境污染。由于技術(shù)和知識(shí)含量的限制，本次研究沒(méi)有進(jìn)行對(duì)金屬的耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)，使得研究不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，有待改進(jìn)。