《材料腐蚀与防护》论文

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金属材料的腐蚀与防护

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2015年5月16日

,第 1 页 共 6 页 金属材料的腐蚀与防护

摘要：金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒，可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此，金属材料的腐蚀与防腐研究有很重要的意义。本文主要介绍了金属的腐蚀机理，腐蚀发生的原因以及一些有效的防腐蚀方法。虽然金属的腐蚀现象和机理比较复杂，但可以通过合理地选用材料、有效地采取防腐蚀措施来减缓金属材料的腐蚀速度，这对于延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产率都具有十分重要的意义。

关键词：金属材料；腐蚀；防护

Corrosion and protection of metals

Abstract： The metal material has the plasticity and toughness of high strength， excellent

heat resistance， cold resistance， welding， casting， forging， stamping， and good

electrical conductivity， thermal conductivity and ferromagnetism， therefore， corrosion

of metal materials have very important significance and Research on anti corrosion. This

paper mainly introduces the mechanism of metal corrosion， corrosion and some effective

methods of corrosion protection. Although the corrosion phenomena and mechanism of

metal complex， but can be by reasonable selection of materials， take effective

anti-corrosion measures to slow down the corrosion rate of metal materials， to extend

equipment life， reduce the cost， has very important significance to improve labor

productivity.

Keyword: Metallic materials; Corrosion; Protection

,第 2 页 共 6 页 前言：

近年来随着人们对保护自然资源、能源和环境的认识不断提高，对金属腐蚀的严重危害的关注也渐在加深。由于金属材料的腐蚀可造成设备的跑、冒、滴、漏，污染环境，甚至发生中毒、火灾、爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费。

据估计，世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值3.5%—4.2%，超过每年各项自然灾害(火灾、风灾及地震等)损失的总和。有人甚至估计每年全世界因腐蚀报废和损耗的金属约为1亿吨[1]。美国发布的第7次腐蚀损失调查结果表明，其每年的直接腐蚀损失是2760亿美元，约占其GDP的3.1%[2]。根据2003

年发表的中国腐蚀调查报告，我国年腐蚀损失约占国民生产总值的5%，腐蚀所造成的经济损失约为每年5000亿元[2]。

因此，研究金属材料的腐蚀规律并采取有效的防护措施，是极其重要的。金属腐蚀问题有很多解决方法，随着科技进步，越来越多的金属防护方法面世，这些方法各有千秋，也有不足。

1 金属材料的发展

金属材料是一种历史悠久发展成熟的工程材料。我国早在商朝即有青铜器出现，春秋战国时代开始使用铁器。随着人类文明的演进，金属材料一直扮演着重要的角色，举凡与我们生活息息相关的食、农、住、行，无不处处见其踪迹，例如陆、海、空、各类运输工具、桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等不胜枚举。

面对21世纪人类科技虽然已推进到太空时代，电子资讯时代，各种新兴的材料如高分子材料，半导体材料，光电材料的白热化竞争，金属材料却未因而失去其魅力，反之在电脑、程控、材料等科技的支援下，金属材料不断开发出新的应用领域，仍是充满着无限发展的生命力。如钢铁材料的年用量从战后的不足二亿吨，以快速的成长到目前的七亿多吨，仅次于混凝土用量排名第二的工程材料，而铝、镁、钛因其轻金属的一些特性，成为电子资讯产业中新兴的结构材料，用于机壳内构件，以及支架。

2 金属腐蚀的分类

金属材料的腐蚀，是指金属材料和周围介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。对于金属而言，在自然界大多是以金属化合物的形态存在。从热力学的观点来看，除了少数贵金属(如金、铂等)外，各种金属都有转变成离子的趋势。因此，金属元素比它们的化合物具有更高的自由能，必然有自发地转回到热力学上更稳定的自然形态——氧化物的趋势，所以说金属腐蚀是自发的普遍存在的一种现象，

,第 3 页 共 6 页 是不可避免的[5]。

2.1按照金属的腐蚀机理[3]

可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程。

2.2 按环境[4]

（1）湿蚀：如大气腐蚀、化学药品腐蚀以及水溶液腐蚀和土壤腐蚀等。

（2）干蚀：如高温氧化、氢腐蚀、液态金属腐蚀以及硫腐蚀等。

（3）微生物腐蚀：如真菌腐蚀、藻类腐蚀以及细菌腐蚀和硫化菌腐蚀等。

2.3 按形态[4]

⑴全面腐蚀即均匀腐蚀：腐蚀分布在整个金属表面，包括较均匀的腐蚀和不均匀的腐蚀。在全面腐蚀过程中，金属阳极溶解反应和物质还原反应的区域都特小，并且阳极区域位置在腐蚀过程中随机发生变化，使得腐蚀的分布非常均匀，并且危害较小。

⑵局部腐蚀即非均匀腐蚀：腐蚀仅仅发生在金属的某一个部位。局部腐蚀的过程中，阴阳极区域是分开的，并且阴极区域的面积相对阳极要大。因此，局部腐蚀高度集中的位置腐蚀强度也比较大。在化工设备的腐蚀损害中，70%是由局部腐蚀造成的，因此，相对于均匀腐蚀而言，局部腐蚀的危害性更大。

局部腐蚀包括：

①点蚀：虽然它是一种点或空穴类小面积的腐蚀，但是却是一种高度局部的腐蚀形态。这类腐蚀的孔有大有小，但是小而深的孔有可能造成金属板穿孔。这类腐蚀通常发生在表面存在钝化膜或者有保护膜的金属上，如：不锈钢等。

②缝隙腐蚀：由于金属表面存在缝隙，因此，与腐蚀相关的物质在缝隙内不容易迁移，从而造成缝隙内金属的腐蚀。

③晶间腐蚀：即沿着合金晶界区发展的腐蚀。这种腐蚀只能借助金相显微镜才能看出晶界呈现网状，但是从表面是看不出任何迹象的，但是这种腐蚀会造成设备以及构件的严重破坏。镍合金以及不锈钢等容易发生此类腐蚀。

④冲刷腐蚀即磨损腐蚀：溶液中包含的具有研磨作用的固体颗粒随着溶液的流动从而使得金属表面的保护膜受到破坏，而发生腐蚀。其破坏形式可以是局部的也可以

,第 4 页 共 6 页 是均匀的。

⑤应力腐蚀开裂：即金属与合金在腐蚀和拉应力的同时作用下产生的破裂。虽然只在具有一定拉应力的情况下才发生，但是这是一种最危险的腐蚀形态，金属本身对应力腐蚀敏感以及有引起该金属发生应力腐蚀的介质。

⑥氢脆：金属由于吸收了原子氢而使其性质变脆的现象叫氢脆。如钢中的Bi、Pb、S、As 都能促进氢脆。

⑦丝状腐蚀：在潮湿的大气中，涂有透明清漆或油漆膜的金属表面会发展腐蚀，腐蚀产物呈丝状纤维网样。潮湿大气是其主要原因，其机理是氧的浓差电池作用。

⑧腐蚀疲劳：金属的疲劳强度以及疲劳寿命在高变应力和腐蚀介质的同时作用下有所下降的现象即为腐蚀疲劳。这种腐蚀不要求特定的材料和介质组合，任何金属在任何介质中都可能发生腐蚀疲劳。

3 金属腐蚀的防护

3.1 改善金属的本质

根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀[6]。

当钢中加入一定量铬、镍、硅、钒、钨、钼等合金元素时，可以提高抗蚀能力。硅和钼、钨、铬等结合有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。铬能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。钒是钢的优良脱氧剂，钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力[7]。

3.2 金属覆盖法

金属覆盖法锌、铅、锡、铬、镍、铜等金属的活泼性很小，把这些金属覆盖在被保护的金属表面，便可达到防锈的目的[8]。

⑴喷镀法。喷镀法的优点是可以给大型构件防锈。但它的缺点也很明显，即喷镀的金属与基体金属结合不牢固，防锈效果不理想。喷镀法不但用来防锈，而且在修复磨损零件、填补有裂纹的铸件等方面也有良好的效果。

⑵包镀法。在被保护金属坯料的每一面放好保护板，然后进行热轧，依靠机械力和扩散作用使二者牢固结合在一起，得到抗蚀覆盖层的方法称为包镀法。包镀法可使钢的表面包以黄铜、镍、铝和不锈钢等耐蚀金属，达到既可用价廉的普通钢来代替贵重的有色金属或不锈钢，又可达到防止腐蚀的目的。

,第 5 页 共 6 页 ⑶热镀法。把钢件浸入耐蚀的金属液中，使镀层金属在熔融状态下与钢件表面的铁形成合金，并在镀层的最外边形成纯的镀层金属的方法称为热镀法。热镀的耐蚀金属多是锌、锡、铅等有色金属。热镀法操作简单，生产率高，得到了广泛应用。

⑷渗镀法。在高温下使耐蚀金属扩散至钢件表面的一定深度，获得耐蚀的合金覆盖层。渗镀的元素有铝、铬、硅等。

⑸电镀法。电镀法是应用最广泛的防止金属腐蚀的方法。常用的镀层金属有锌、镉、铜、镍、锡等。电镀法与其它获得保护覆盖层的方法相比，具有下列优点：第一，可灵活而准确的控制镀层的厚度和质量。第二，电镀法消耗的镀层金属最节省。第三，镀层金属纯度高，而且与被镀金属结合牢固，因而防锈性能高。第四，不用加热或加热温度不高，节省能源，而且不会因高温加热而影响被镀金属的性能。电镀的缺点是生产率低。

3.3 电化学防护

电化学保护是指使金属构件极化到免蚀区或钝化区从而得到保护的一种方法。电化学保护分为阴极保护和阳极保护[9]。

阴极保护是使金属构件作为阴极，通过阴极极化来消除该金属表面的电化学不均匀性，达到保护目的。阴极保护的实现方法有牺牲阳极法和外加电流法。阴极保护是一种经济而有效的防护措施，如一座海上采油平台的建造费超过2亿元人民币，而牺牲阳极材料和施工费仅需300万元左右人民币，并且阴极保护下平台使用寿命提高了15年。要求在海水、土壤中长时间使用的设备，如海洋平台、码头、地下管线、电缆、贮槽等，必须通过采用阴极保护来提高其抗蚀能力。阳极保护是将被保护的金属设备与外加直流电源的正极相连，在腐蚀介质中使其阳极极化到稳定的钝化区，从而金属设备得到保护。阳极保护的应用是有限的，当前主要用于各类酸液存贮槽、贮罐、碳化塔冷却水箱、铁路槽车、有机磺酸中和罐等方面的保护[10]。