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金屬材料的腐蝕與防護(hù)
腐蝕是指金屬由于環(huán)境介質(zhì)作用而導(dǎo)致的變質(zhì)和破壞。
按腐蝕原理分類，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。
一、化學(xué)腐蝕
金屬的化學(xué)腐蝕是指金屬與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的變質(zhì)和損壞的現(xiàn)象。化學(xué)腐蝕是一種氧化-還原反應(yīng)過(guò)程，也就是腐蝕介質(zhì)中的氧化劑直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產(chǎn)物。
金屬的化學(xué)腐蝕主要發(fā)生在如下四種介質(zhì)中。
（1）金屬在干燥大氣體中的腐蝕
金屬在濕度不大的大氣條件下的腐蝕屬于化學(xué)腐蝕，這種腐蝕進(jìn)行的速度較慢，造成的危害輕微。
（2）金屬在高溫氣體中的腐蝕
這是危害嚴(yán)重的一類化學(xué)腐蝕，如金屬的高溫氧化，在高溫條件下，金屬與環(huán)境中的氧或氧化性氣體(H2O、SO2、CO2等)化合生成金屬化合物，溫度越高，金屬的氧化速度越快；鋼的高溫脫碳，在高溫氣體作用下，金屬表面與高溫氣體中的02、H20、S02、H2反應(yīng)，使碳的含量減少，金屬的表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度降低。
（3）其他氧化劑引起的化學(xué)腐蝕
在腐蝕反應(yīng)中奪取電子導(dǎo)致金屬原子成為離子的物質(zhì)不是氧，而是硫、鹵素原子或其他原于或原子團(tuán)，這時(shí)反應(yīng)物不是氧化物，而是鹵化物、氫氧化物或其他化合物。這種情況下，腐蝕速度和危害程度取決于金屬及氧化物的性質(zhì)。
（4）金屬在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕
金屬在不含水、不電離的有機(jī)溶劑中，與有機(jī)物直接反應(yīng)而受化學(xué)腐蝕，如Al在CCl4、Mg和Ti在甲醇中的腐蝕，這類腐蝕比較輕微。
二、電化學(xué)腐蝕
金屬電化學(xué)腐蝕指金屬與介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的變質(zhì)和損壞。其特點(diǎn)是在腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生，金屬在各種酸、堿、鹽溶液、潮濕大氣、工業(yè)用水中的腐蝕，都屬于電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是一種比化學(xué)腐蝕更為普遍、危害更加嚴(yán)重的腐蝕。
（一）電極電位
把Zn置于水溶液中，由于極性水分于的作用，Zn表面上的Zn離子克服自身電子的引力，一些Zn離子將脫離金屬表面進(jìn)入相接觸的水中形成水化離子，與這些離子保持中性的電子仍然留在金屬上，這就是氧化反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的水化離子越多，金屬表面的過(guò)剩電子也越多。當(dāng)金屬的氧化反應(yīng)到一定時(shí)間，動(dòng)態(tài)上不再進(jìn)行，其結(jié)果形成了由金屬表面帶負(fù)電，與金屬相接觸的水中帶正電的雙電層。許多金屬如鐵、鎘等浸在水或酸、堿、鹽的水溶液中，都能夠形成這樣的雙電層。
如果金屬離子的水化能不足以克服金屬離子與電子的吸引力，則溶液中的水化離子可能被金屬上的電子吸引而進(jìn)入金屬內(nèi)部，因而金屬表面帶正電荷，與之相鄰的液層中聚集陰離子而帶負(fù)電荷，形成一種與前相反的雙電層，銅、銀、金等金屬在含有該金屬鹽的水溶液中就形成這種雙電層。雙電層示意如圖1-1所示。
形成雙電層的金屬及電解質(zhì)溶液稱為電極。不同的電極有不同的電位，若規(guī)定某一電極的電位為零電位，此電極為參比電極，相對(duì)于參比電極的電位差就成為該電極的電極電位。
圖1-1 雙電層示意圖
圖1-2 金屬鋅和金屬銅組成的腐蝕電池
（二）腐蝕電池
如果把兩種電極電位不同的金屬互相接觸，或用導(dǎo)線連接，同時(shí)放入同一電解質(zhì)中．就組成了腐蝕電池。如圖1-2所示為金屬鋅和金屬銅組成的腐蝕電池，鋅的電極電位低，銅的電極電位高，鋅離子不斷進(jìn)入電解質(zhì)溶液中，多余的電子通過(guò)導(dǎo)線流向了銅極。在鋅極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)Zn-2e→Zn2+，在銅極上發(fā)生的是還原反應(yīng)2H++2e→H2。腐蝕電池的總反應(yīng)為
Zn+2H+
Zn2++H2↑
反應(yīng)的結(jié)果造成金屬鋅的電化學(xué)腐蝕和溶液中的氧化劑被還原成氫氣并聚成氣泡逸出。在腐蝕電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱陽(yáng)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱陰極。在以上腐蝕電池中，鋅為陽(yáng)極，銅為陰極，鋅失去電子遭腐蝕，銅得到保護(hù)。金屬的電化學(xué)腐蝕性決定于電極電位，電極電位低的容易被腐蝕。
三、金屬腐蝕的防護(hù)措施
腐蝕主要決定于兩個(gè)方面，一是材料本身的性能，二是材料所處的環(huán)境或所接觸的介質(zhì)。這就要求要認(rèn)真分析環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)，正確選擇材料；要改善腐蝕環(huán)境或介質(zhì)。
金屬設(shè)備的常用的防腐措施。
(一)涂敷保護(hù)層
在金屬表面涂敷耐腐蝕的保護(hù)層，使金屬與腐蝕環(huán)境或介質(zhì)分開(kāi)，從而達(dá)到防止金屬腐蝕的目的。涂層分為金屬保護(hù)層和非金屬保護(hù)層。
1.金屬保護(hù)層
金屬保護(hù)層常稱為鍍層，通常以涂敷工藝來(lái)命名。常用的有電鍍、熱鍍、滲鍍、噴鍍、熱浸鍍、包鍍等、目的就是在金屬外部包裹一層耐腐蝕的金屬層。
2.非金屬保護(hù)層
非金屬保護(hù)層分為無(wú)機(jī)涂層和有機(jī)涂層。無(wú)機(jī)涂層指搪瓷、玻璃涂層，硅酸鹽涂層和化學(xué)涂層。硅酸鹽涂層主要采用硅酸鹽水泥作保護(hù)層，化學(xué)涂層又稱化學(xué)膜，是采用化學(xué)的方法使金屬離子沉積而形成金屬鍍層的方法。
有機(jī)涂層包括涂料涂層、塑料涂層和硬橡膠涂層。涂料是一種流動(dòng)性物質(zhì)，能夠在金屬表面展開(kāi)連續(xù)的薄膜，固化后即能將金屬與介質(zhì)隔開(kāi)。塑料涂層是用層壓法將塑料薄膜直接粘在金屬表面。硬橡膠涂層是將硬橡膠覆蓋于金屬表面。
(二)電化學(xué)保護(hù)
根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，如果把要保護(hù)的金屬的電極電位提高，或是把金屬的電極電位降低到一定程度，則可降低腐蝕速度，甚至使腐蝕*停止。這種通過(guò)改變電極電位來(lái)控制金屬腐蝕的方法稱為電化學(xué)保護(hù)。電化學(xué)保護(hù)常用陰極保護(hù)法。
陰極保護(hù)又分為外加電流法和犧牲陽(yáng)極法。
外加電流法是把被保護(hù)的金屬設(shè)備與直流電源的負(fù)極相連，電源的正極與另一種被稱為輔助電極的金屬相連，如圖1-3（a）所示。電源接通，電源電流的方向與腐蝕電池的方向相反，調(diào)整電源電流的大小，就能達(dá)到減少甚至停止腐蝕的目的。外加電流法在石油、化工、環(huán)境工程等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
犧牲陽(yáng)極法是在被保護(hù)的金屬上連接一塊電極電位更低的金屬作為犧牲陽(yáng)極,如圖1-3(b)。由于外接的犧牲陽(yáng)極電位比被保護(hù)的金屬低，更容易失去電于面遭到腐蝕。如防止鐵制地下管道的電化學(xué)腐蝕，可在管道上附以金屬鋅。出于鋅的電極電位較鐵的電極電位低，因而失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而遭到腐蝕，鐵制管道被保護(hù)下來(lái)。
圖1-3 陰極保護(hù)法
(三)腐蝕介質(zhì)的緩蝕
在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑，改變介質(zhì)的性質(zhì)，可降低或消除對(duì)金屬的腐蝕作用。緩蝕劑就是能夠阻止或減緩金屬在環(huán)境介質(zhì)中腐蝕的物質(zhì),主要用于管道內(nèi)壁的防腐。
1.酸性介質(zhì)的防腐
在管道和鍋爐的酸洗除垢中，常在酸溶液中加入吸附型緩蝕劑表面，改變金屬表面的性質(zhì)，從而達(dá)到防止酸性介質(zhì)腐蝕的目的。
2.中性介質(zhì)的防腐
緩蝕劑可吸附在金屬在循環(huán)水和鍋爐給水等中性介質(zhì)中，腐蝕基本是由水中溶解氧和游離二氧化碳引起的，特別是在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于水的多次循環(huán)使用，使水中無(wú)機(jī)鹽類逐漸濃縮，造成管道內(nèi)壁腐蝕、結(jié)垢等。常在系統(tǒng)中加入氧化型或沉淀型緩蝕劑，使管道內(nèi)壁形成致密的氧化膜(鈍化劑)，或具有防腐的沉淀膜，以達(dá)到防腐目的。常用的緩蝕劑有；絡(luò)酸鹽、聚磷酸鹽、硅酸鹽和銅酸鹽等。
3.蒸汽及供暖管道的防腐
這種腐蝕主要由水中溶解氧、氯離子及溶解鹽類引起的腐蝕。其防腐措施是采用離子交換法或加緩蝕劑和脫氧劑等進(jìn)行除氧、除垢。常用的緩蝕劑有：聚磷酸鈉、硅酸鹽和鉑酸鹽等，脫氧劑主要是亞硫酸鈉。對(duì)長(zhǎng)期停用管道，可用濃度為200mg/l的亞硝酸鈉溶液充滿管道，即可防止管道內(nèi)壁的氧腐蝕。