1、金属腐蚀与防护现状作者： 指导教师： 学院：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 联系电话： 邮箱：摘 要：金属腐蚀会改变金属材料的物理及化学性质，对金属材料的安全性产生巨大威胁。因此对金属材料的腐蚀进行防护是十分必要的。本文介绍了金属腐蚀的危害和分类，对金属腐蚀防护的方法和重要性以及国内外防腐蚀现状进行了详细的阐述。关键词：金属材料，腐蚀，防护，现状1 引言人们在生产中使用的机械设备、各类容器及大量的管道，大都是金属及其合金制造的。这些材料不断与大气中的氧气、水蒸汽、酸雾以及酸、碱、盐等种种物质接触而起作用，使金属遭受腐蚀，金属腐蚀和防护相关的研究应运而生。特别在工业革命以后,
2、随着现代海洋、空间和原子能技术的出现,金属腐蚀与防护的研究比以往任何时期都倍受重视。在 21世纪的今天,金属材料的应用也得到空前的拓宽。然而全球每年因腐蚀造成的金属损失量高达全年金属产量的 20%40%。据世界上发达国家调查统计 ,每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占国民经济生产总值的 1.5%4.2%1。因此,了解金属腐蚀与防护具有重要的社会和经济意义。2 金属腐蚀与腐蚀机理由于金属腐蚀的现象与机理较复杂，因此腐蚀的分类方法也较多: 按照腐蚀反应的机理分类，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀; 按照腐蚀的环境分类，可分为大气腐蚀、水和蒸汽腐蚀、土壤腐蚀、化学介质( 酸、碱、盐、氨) 腐蚀等 ; 按照腐
3、蚀的形态分类，可分为全面腐蚀和局部腐蚀。腐蚀分布在整个金属表面上，可以是均匀的，也可以是不均匀的。但总的来说，腐蚀分布和深度相对均匀，如碳钢在强酸中发生的腐蚀就属于均匀腐蚀，即全面腐蚀。局部腐蚀主要集中在金属表面某些极其小的区域，由于这种腐蚀的分布、深度很不均匀，常在整台设备较好的情况下发生，因此其危险性很大。1.1 化学腐蚀化学腐蚀指金属与环境介质进行氧化还原反应所导致的腐蚀。金属原子与介质分子直接相互作用，金属丢失电子(被氧化)同时介质分子获得电子(被还原)，金属直接将电子转移给氧化物质。在化学腐蚀过程中不存在独立的阳极区和阴极区组成的微电池。化学腐蚀通常发生在非电解质溶液(如四氯化碳、乙
4、醇等)和干操气体介质中。常见的化学腐蚀有气体化学腐蚀、高纯水中的化学腐蚀、中性盐中的化学腐蚀、非电解质中的腐蚀四种类型。这类腐蚀不普遍，只有在特殊条件下发生，例如化工厂里的氯气与铁反应生成氯化亚铁：Cl2+FeFeCl 2。2.2 电化学腐蚀电化学腐蚀是一种电化学过程。当两种金属制品相接触，同时又有其他介质(如潮湿的空气或其他气体，水或电解质溶液等)存在时，就形成原电池，发生包括氧化反应和还原反应的电化学过程。例如把铁管装在铜管上，或把铜质水龙头装在铁管上，或者在一块铜板上钉有一些铁铆钉，长期暴露在潮湿空气中的铁器表面上会凝结一层薄薄的水膜，空气中的 CO2、某些工厂逸散的 SO2等易溶于水的
5、介质就会溶解到水膜中生成电解质溶液。电化学腐蚀比其它类型的腐蚀破坏更为常见，对金属材料是极其危险的。3 金属腐蚀的防护3.1 化学腐蚀的防护金属的化学腐蚀主要与金属本身的性质有关，因此化学腐蚀的防护要从金属材料的性质下手。防止化学腐蚀的方法很多，包括在金属表面上覆盖保护层，如在钢铁表面涂上矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料，用电镀、热镀、喷镀的方法在钢铁表面镀上一层不易被腐蚀的金属（如锌、锡、铬、镍）和用化学方法使钢铁表面生成一层致密而稳定的氧化膜。还可以从改变金属内部组织结构着手，如把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，提高钢铁对各种物质侵蚀的抵抗能力。3.2 电化学腐蚀的防护3.2.1 隔离法微
6、电池作用是造成金属腐蚀的主要因素，而单单一个电极是构不成电池的，要构成电池就必须同时具备对立的阴阳两极。据此，防治金属电化学腐蚀第一大对策就是要想办法将金属（阳极）和其介质（阴极）隔离开来，使之构不成电池。这可以通过涂油、涂漆（包括刷涂、浸涂、淋涂、辊涂、手工喷涂、自动喷涂、静电喷涂、电泳涂漆等 2） 、烧结、磷化、氧化（或钝化，包括化学钝化和电化学钝化） 、电镀等方法在金属表面覆盖一层金属或非金属（包括无机物和有机物）保护层来实现；在建设工程设备安装过程中，室外埋地镀锌钢管和钢管的埋地防腐通常采用的三油两布就是使用隔离法来实现保护的 3。3.2.2 增大电极电势法金属的腐蚀即金属的氧化，其电
7、极电势越小则该金属就越容易失去电子而被氧化，也即越容易被腐蚀，故所有能使其电极电势变正的因素均能减缓或防止腐蚀。这可以利用极化（因极化总是使阳极电势变大）等方法来实现。比如，可以将被保护的金属接到外加电源的正极上（负极则接铂、镍、铜、磁性氧化铁等作为惰性阴极） ，使之进行阳极极化，电极电势正移，使金属“钝化”而得到保护，这也称为阳极保护法；在建筑工程中，埋地或地沟内的金属管道在进出建筑物处亦应与防雷电感应的接地装置相连 4，不仅可实现防雷保护，而且通过外加正极电源，实现阳极保护而防腐。再比如，不锈钢中都含有一定的铬，铬有一种神奇的作用，把它加入钢种即可提高钢的电极电势 5，在钢中加入 13%的
8、铬即可使其抗蚀性有一个显著的提高。3.2.3 阴极保护法金属的腐蚀是一阳极过程。因此，防治金属电化学腐蚀的另一对策就是将金属置于阴极，即阴极保护法。阴极保护法具体又分为两种，其一是将被保护的金属（阴极）和电极电势较低的金属（作为牺牲性阳极而溶解掉）接在一起，这也称为牺牲阳极保护法。比如海上航行的船只，在船底四周镶上锌块，此时船体是阴极受到保护，锌块是阳极代替船体而受腐蚀。其二是将被保护的金属接在外加电源的负极上使之称为阴极，正极则接到一些废铁上作为牺牲性阳极或接到某些导体如石墨、高硅铸铁、铅银合金、镀铂钛等上面作为惰性阳极。在化工厂中一些装有酸性溶液的容器或管道以及地下的水管或输油管道常用这种
9、方法防腐。3.2.4 改善腐蚀环境和介质（缓蚀剂）金属的腐蚀与介质环境密切相关。加入介质，能明显抑制金属腐蚀的物质，称为缓蚀剂。缓蚀剂可以是无机盐类（如硅酸盐、正磷酸盐、亚硝酸盐、铬酸盐等） ，也可以是有机物（一般是含 N、S、O 和三键的化合物如胺类、吡啶类、硫脲类、甲醛、丙炔醇等） 。缓蚀剂的作用往往是由于吸附或与腐蚀产物生成沉淀而覆盖金属电极表面形成保护膜所致，它能减缓电极过程的速度，达到缓蚀剂的目的。缓蚀剂也可分为阳极缓蚀剂和阴极缓蚀剂。阳极缓蚀剂是直接阻止阳极金属表面的金属进入溶液，或在金属表面上形成保护膜，使阳极免于腐蚀。但如果加入缓蚀剂的量不足，阳极表面覆盖不完全，则反而会导致阳
10、极的电流密度增大而腐蚀加快，故有时也将阳极缓蚀剂称为危险性缓蚀剂。阴极缓蚀剂主要也在于抑制阴极过程的进行，增大阴极极化，有时也可在阴极上形成保护膜。阴极腐蚀剂则不具备有“危险性” ，其缓蚀剂的用量一般都很小，但防腐作用却很显著，且使用方便而经济，因此也是一种最常用的方法，工业上已广泛采用。3.2.5 研制开发新的耐腐蚀材料上述对策都属于治标不治本的金属电化学腐蚀防护方法。解决金属腐蚀问题最根本的出路需大胆创新的对策，即研制开发新的耐腐蚀材料 6如特种合金、新型陶瓷、复合材料等来取代易腐蚀的金属。比如实验室中常用铂作坩埚或惰性电极，防腐效果很好，但因其成本太高而不可能在工业上大规模使用。不锈钢则
11、便宜得多因而也用得较为普遍的一种耐腐蚀合金。钛也是一种很好的耐腐蚀金属 计算表明把一个钛盘子放在海水中浸泡上千年，表面腐蚀掉的还不到 0.02 毫米，几乎看不到一丝锈蚀的痕迹。在不锈钢中加进钛可防止晶间腐蚀。由爆炸焊接新技术制造出的一种钛钢复合材料，既不怕酸、碱、盐的腐蚀，价格也较低。化工厂的反应罐、输液管道，用钛钢复合材料来替代不锈钢，使用寿命可大大延长 7。科学家还研制成功一种貌似玻璃的透明金属 称为“金属玻璃” ，它除了具有很高的抗张强度（达 250 千克每平方毫米） ，还对外界酸碱的侵蚀显现出惊人的抵抗力。具有高强度、耐腐蚀、耐磨损、耐高温以及吸收性能好、尺寸精度高的精密陶瓷，已开始在
12、精密机械和化工领域取代金属材料和高分子材料。在宇航、核能等领域中，工程陶瓷可取代昂贵的耐蚀、耐热合金。随着科技的进步，新的耐腐蚀材料正层出不穷。4 国内外金属防腐蚀工作现状4.1 国外现状20 世纪 70 年代前后，英国、美国、日本等国家都进行了较为系统的腐蚀损失调查。一些国家也进行了推算。由这些报告，可达到一种共识：国民经济为腐蚀和防治腐蚀付出巨大的代价，其数值可占各国 GNP 的 1%5%，其中 1/4 可通过现有的腐蚀知识和腐蚀控制技术予以避免。由于产业结构的变化，特别是信息技术的发展，以及腐蚀科学和防蚀技术的进展，近几年日本、英国、美国为适应新的趋势，相继进行了腐蚀损失调查。日本腐蚀防
13、蚀协会受到超级钢计划 STX- 21 的鼓励，用 Uhlig 和 Hoar 两种方法评估了1997/1998 年直接腐蚀损失，并试用输入/产出方法进行分析。这次调查包括 6 个部门：能源、运输、化学、金属、机械、建设工业。结果表明，用 Uhlig 和 Hoar 两种方法估算1997、1998 年直接腐蚀损失为 39380 亿日元和 52580 亿日元。英国在工业贸易部支持下，由涂料研究协会和材料科学会联合组成了调查委员会，开展了题为“腐蚀损失，风险评估和减少腐蚀损失的研究” ，重点调查化工、石油、食品和饮料工业、海洋结构物、钢结构和汽车工业。在美国，1999 年议会委托拨款 100 万美元。要
14、在 2 年内由 CC Technologies Laboratories 和 NACE International 执行一个评估美国金属腐蚀的计划。其目的是要提供一个在经济上有效，能减少腐蚀损失的策略，以减少腐蚀对公共安全、环境和经济的影响。该项研究主要针对对美国经济有重要影响的 36 个部门，如桥梁、地下管线、机场、汽车、飞机、水、卫生系统和电力等部门，采用经济效益和风险分析方法，评估防蚀战略的经济效益。4.2 国内现状在 1980 年 7 月，由国家科委腐蚀学科组向化工、石油、冶金、纺织、轻工、二机、建材等 7 个部门发了腐蚀管理与腐蚀损失调查表 ，并进行了走访。由于缺乏统计数据，以及调查
15、内容和调查方法不完善，所列数据实际上只反映了几个部门企业的腐蚀损失。此后个别行业也进行了腐蚀损失调查。1986 年，由武汉材料保护研究所负责调查 1986 年我国机械工业锈蚀损失情况，腐蚀损失值达到 116.245 亿元。在“99 中国国际腐蚀控制大会”上，潘连生（原化工部副部长，中国化工防腐蚀技术协会理事长）说：“据统计，中国化工腐蚀损失约占总腐蚀损失的 11%，1998 年我国因腐蚀造成的损失已达到 2 800 亿元，腐蚀严重的石油和化学工业的损失已达到 400 亿元左右，化工生产中因腐蚀造成的事故约占总事故的 31%”。但至今没看到化学工业腐蚀损失的统计明细表。近 20 年来，我国国民经
16、济生产总值急剧增长。钢、水泥等原材料的产量持续增长。新兴的电子工业，如彩电、微机、移动电话的产量更是迅速增长。随着经济的发展，国内生产总值构成和管理模式都发生了很大变化。各行各业的腐蚀状况与过去有了明显的不同。随着大规模基础设施的加强，腐蚀控制问题更是关系到国家的百年大计，对我国腐蚀状况的了解就显得尤为重要。5 结论随着科学技术的发展和进步，金属材料的使用范围和用量都会进一步扩大，因而金属防腐对我们极为重要。常用的隔离法、缓蚀剂法和电化学保护法等防护手段在本质上不能够解决金属腐蚀问题，研究新型的合金材料等防腐金属材料才是解决金属防腐蚀的最好途径。目前，石油、化工、电力和铁路等一些重点企业已经能
17、够从源头抓起，制订防护设计规范与标准，科学合理地选用材料，能够从全寿命经济分析的观点出发，采用长效防腐涂料与阴极保护等综合防护措施来控制腐蚀，在防腐领域取得了很好的效果。然而，与我们专业密切相关的机械工业在金属腐蚀的防护工作方面还有待提高。在此，我呼吁社会上从事金属防腐蚀工作的专业人才，能像关注医学、环境科学和减灾一样关注防腐蚀工作，争取在较短时间内使我国的腐蚀与防护科技水平有显著的提高。参考文献1 曹楚南悄悄进行的破坏一金属腐蚀M 北京:清华大学出版社,20002 表面处理工艺手册编审委员会 表面处理工艺手册.上海：上海科学技术出版社，1991：3413 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范.中国建筑工业出版社，2002：424 建筑防雷设计规范.中国计划出版社，2000：85 邓海金，陈秀云.重新架构一切-新材料.北京：科学出版社、金盾出版社，1998：256 傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学（4 版、下册）.北京：高等教育出版社，1990：6877 姚大均.化学世界.南京:江苏少年儿童出版社，2000：96-97
