金属的钝化

金属钝化原理与应用

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金属钝化原理与应用

机械与汽车工程学院

材料成型及控制工程

金属钝化原理与应用

2 金属钝化原理及应用

（ 材料成型及控制工程）

摘要：金属经氧化性介质处理后，其腐蚀速度比原来未处理前有显著下降的现象称金属的钝化。其钝化机理主要可用薄膜理论来解释，即认为钝化是由于金属与氧化性介质作用，作用时在金属表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、能坚固地附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独立相存在，通常是氧和金属的化合物。它起着把金属与腐蚀介质完全隔开的作用，防止金属与腐蚀介质直接接触，从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防止腐蚀的效果。

关键词：表面处理、钝化、铬酸盐、酸洗钝化

一、概述

钝化现象早在十八世纪30年代即被发现，自此得到了广泛的研究。

钝化现象——通常，电极电位愈正，金属溶解速度愈大。而实际中，常有电位超过一定数值后，电流突然减少，这种现象成为钝化现象。

金属在介质中具有极低的溶解速度的性质称为“钝性”。金属在介质中强烈溶解的性质叫做“活性”。活态向钝态的转变叫做钝化，能够使金属发生钝化的物质被称为钝化剂。钝化现象发生通常与氧化介质有关。有时在非氧化性介质中也可以发生钝化，如镁在氢氟酸中、钼和铌在盐酸中、汞和银在氯离子作用下等。

金属钝化的定义：在一定条件下，当金属的电位由于外加阳极电流或局部阳极电流而移向正方向时，原来活泼地溶解着的金属表面状态会发生某种突变，同时金属的溶解速度急速下降，这种表面状态的突变过程叫做钝化[1]。

金属钝化的两个必要标志：腐蚀速度大幅度下降、电位强烈正移。 金属钝化原理与应用

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金属钝化的特征[2]：

①金属的电极电位朝正值方向移动；

②腐蚀速度明显降低；

③钝化只发生在金属表面；

④金属钝化以后，即使外界条件改变了，也可能在相当程度上保持钝态。

钝化的分类

化学钝化：金属与钝化剂自然作用产生（如：Cr，Al，Ti等金属在含氧溶液中）又称自钝化。

1、 金属钝化的基本原理是什么?

常温下，Fe或者Al遇到浓H2SO4或者浓HNO3都发生钝化。因为表面被氧化成一层致密的氧化膜，使金属不再被氧化。

我们知道，铁、铝在稀HNO3或稀H2SO4中能很快溶解，但在浓HNO3或浓H2SO4中溶解现象几乎完全停止了，碳钢通常很容易生锈，若在钢中加入适量的Ni、Cr，就成为不锈钢了。金属或合金受一些因素影响，化学稳定性明显增强的现象，称为钝化。由某些钝化剂（化学药品）所引起的金属钝化现象，称为化学钝化。如浓HNO3、浓H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化剂都可使金属钝化。金属钝化后，其电极电势向正方向移动，使其失去了原有的特性，如钝化了的铁在铜盐中不能将铜置换出。此外，用电化学方法也可使金属钝化，如将Fe置于H2SO4溶液中作为阳极，用外加电流使阳极极化，采用一定仪器使铁电位升高一定程度，Fe就钝化了。由阳极极化引起的金属钝化现象，叫阳极钝化或电化学钝化。

金属处于钝化状态能保护金属防止腐蚀，但有时为了保证金属能正常参与反应而溶解，又必须防止钝化，如电镀和化学电源等。

金属是如何钝化的呢？其钝化机理是怎样的？首先要清楚，钝化现象是金属相和溶液相所引起的，还是由界面现象所引起的。有人曾研究过机械性刮磨对处在钝化状态的金属的影响。实验表明，测量时不断刮磨金属表面，则金属的电势剧烈向负方向移动，也就是修整金属表面可引起处在钝态金属的活化。即证明钝化现象是一种界面现象。它是在一定条件下，金属与介质相互接触的界面上发生变化的。电化学钝化是阳极极化时，金属的电位发生变化而在电极表面上形成金属氧化物或盐类。这些物质紧密地覆盖在金属表面上成为钝化膜而导致金属钝化，化学钝化则是像浓HNO3等氧化剂直接对金属的作用而在表面形成氧化膜，或加入易钝化的金属如Cr、Ni等而引起的。化学钝化时，加入的氧化剂浓度还不应小于某一临界值，不然不但不会导致钝态，反将引起金属更快的溶解。

金属的铬酸钝化是一种特殊的防腐蚀保护方法，通过在金属表面形成一层稳定的铬酸盐薄膜，可以有效降低金属的腐蚀速率，从而延长其使用寿命。

首先，铬酸钝化是基于酸溶液中的氢离子放电过程。当含有氢离子的铬酸溶液与金属接触时，氢离子会通过化学反应在金属表面释放出电子，形成一层覆盖于金属表面的氧化膜。这一氧化膜具有致密、光滑、致畸性的特点，能够有效阻止金属基体的进一步氧化，从而起到保护作用。

其次，铬酸钝化具有广泛的应用范围。各种金属材料，如铁、铝、铜、镍等，都可以通过铬酸钝化获得良好的防腐蚀效果。此外，铬酸钝化不仅适用于裸露的金属表面，如螺丝、垫片、管道等，还适用于已经涂装或镀层的金属表面，不会影响其原有的防护效果。

然而，铬酸钝化也存在一些局限性。首先，使用铬酸进行金属钝化处理时，会产生一定程度的表面粗糙度，可能影响产品的美观和光洁度。其次，过度的铬酸使用会导致金属表面的铬酸盐残留，需要进一步清洗去除，增加了生产成本和操作难度。

为了克服这些局限性，人们开发出了多种改进的金属防腐蚀技术，如磷化、发黑处理、涂层涂装等。这些技术在一定程度上提升了金属的防腐蚀性能，但并未完全替代铬酸钝化技术。在许多领域，如汽车制造、家电生产、五金加工等，铬酸钝化仍是常用的金属防腐蚀方法。

总的来说，金属的铬酸钝化是一种经济、有效的防腐蚀方法，具有广泛的应用范围和良好的效果。虽然存在一些局限性，但与其他防腐蚀技术相比，铬酸钝化仍然具有独特的优势，并在许多领域发挥着重要作用。

钝化工艺的种类

钝化工艺是通过对金属表面进行处理，形成一层具有保护性能的钝化膜，使金属表面具有耐蚀、耐磨、耐高温等性能的工艺。根据不同的处理方法和用途，钝化工艺可分为以下几个种类：

1. 酸洗钝化：将金属件浸泡在酸性溶液中，通过溶解金属表面的氧化铁、氧化锈等杂质，达到去除污渍和锈蚀的目的，形成一层钝化膜。

2. 镀锌钝化：将金属件首先经过酸洗去除杂质，然后进行电镀锌处理，形成一层锌的保护膜，进而进行钝化处理，提高金属的耐蚀性能。

3. 镀铬钝化：将金属件经过酸洗或机械处理后，进行电镀铬处理，形成一层具有钝化和美观的铬层，提高金属的耐蚀性和硬度。

4. 磷化钝化：将金属件表面形成一层细密的磷化膜，通过改善金属表面的润湿性和润滑性，提高金属的耐磨性能和耐蚀性能。

5. 预涂钝化：在金属表面涂覆一层钝化剂，通过化学反应和吸附作用，形成一层有机保护膜来提高金属的耐蚀性能。

6. 氧化钝化：将金属件暴露在高温氧化气氛中，使其表面发生氧化反应，形成一层氧化钝化膜，提高金属的耐高温性能和耐蚀性能。

这些钝化工艺在不同的领域和行业中有着广泛的应用，如汽车、航空航天、电子电气等。