金屬材料在日常生活中具有廣泛的應用,在使用過程中如果沒有做好一定的防護,金屬表面就會發生腐蝕,且隨著時間的增加,腐蝕現象更加嚴重。金屬腐蝕現象通常是指金屬與周圍環境之間發生化學或電化學作用而被破壞或變質的現象。
腐蝕現象的產生不僅會降低器件的使用壽命,而且會對環境產生一定的污染,甚至會影響人體生命健康。由于造成腐蝕現象的原因具有許多復雜的因素,通常按照腐蝕機理和腐蝕狀態對腐蝕現象進行分類。同時根據不同的腐蝕情況,制定金屬防護策略避免金屬發生腐蝕。
按照腐蝕機理可將金屬腐蝕現象分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕,其中電化學腐蝕最為普遍,同時也是對金屬的危害最為嚴重。化學腐蝕:是指金屬表面與非電解質直接發生化學反應而引起的腐蝕。在反應過程中沒有電流產生,例如鋼鐵在空氣中加熱時,熱鐵與空氣中的氧氣發生化學反應生成疏松的鐵氧化物,這種現象為化學腐蝕;該類腐蝕的特點是,在一定條件下,非電解質中的氧化劑直接與金屬表面原子相互作用而形成腐蝕產物,腐蝕過程電子的傳遞是在金屬和氧化劑之間直接進行的,所以沒有電流產生。
電化學腐蝕:是指金屬在水溶液中,與離子導電的電解質發生電化學反應產生的破壞。在反應過程中有電流產生,腐蝕金屬表面存在陰極和陽極,陽極反應使金屬失去電子變成帶正電的離子進入介質中,稱為陽極氧化過程。陰極反應是介質中的氧化劑吸收來自陽極的電子,稱為陰極還原反應,這兩個反應是相互獨立而又同時進行的,稱為一對共軛反應。這使得金屬表面陰陽兩極組成了短路電池,腐蝕過程中有電流產生,加速了腐蝕過程。如金屬在海水、酸堿鹽溶液、 自來水等介質中的腐蝕均屬于電化學腐蝕。
物理腐蝕:是指金屬和周圍的介質發生單純的物理溶解而產生的破壞。金屬在液態高溫的條件下可在熔鹽、熔堿中發生物理溶解。物理腐蝕是由于物質遷移引起的,固體金屬在液態介質中溶解而轉移到液態中,使得金屬破壞,故沒有電流產生,是一個純物理過程。如鋼容器易被熔融的液態金屬鋅溶解,使得鋼容器壁變薄等。
按照腐蝕形態也可分為均勻腐蝕和局部腐蝕,對于局部腐蝕可根據其形態分為電偶腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕。
金屬腐蝕現象普遍存在于日常生活和工業生產之中,腐敗會造成嚴重的直接或間接經濟損失,腐蝕會造成的大量的經濟損失。據國內統計,腐蝕造成的損失每年可達3.5 萬億人民幣,約占國民生產總值(GNP)的3-5 %,全國腐蝕造成的鋼鐵損失占當年鋼產量約10-20 %。腐蝕是能源和材料損失的主要原因之一,占全球能源使用的20%。腐蝕現象也會造成資源浪費和環境污染。腐蝕使得金屬材料過早失效,同時也造成了資源和能源的大量浪費;可能會造成管道泄漏,造成大量土壤/水體的污染;腐蝕產物和污垢會導致鍋爐、換熱器等設備的傳熱效率下降,浪費大量資源。
金屬材料種類的多樣、腐蝕環境的復雜決定了金屬腐蝕防護手段的多樣。防護手段大致可分為金屬表面處理、電化學保護和改善腐蝕環境三大類。
金屬表面處理:是指通過物理、化學及電化學手段在金屬基材表面建立一種隔離保護層,以阻隔電解質溶液與基材接觸,達到減緩腐蝕的目的。主要有在表面覆蓋涂層,即在金屬基材表面涂覆一層涂層可以隔絕水與氧氣接觸基底,產生保護作用;陽極氧化處理,即外加電源將金屬材料與電源正極連接,在外加電流和相應電解質溶液的共同作用下,金屬表面生成一層氧化膜;合金化處理,即通過往金屬中摻雜其他元素,以改善耐蝕性、耐磨性等性能。
電化學保護:是運用電化學原理對金屬材料采取措施,使其充當陰極或鈍化,達到減緩腐蝕的目的。其可分為犧牲陽極的陰極保護法、外加電流的陰極保護法以及陽極保護法三種。
改善腐蝕環境:改善金屬材料所處的腐蝕環境可以有效降低腐蝕速度。常用的方法有添加緩蝕劑,緩釋劑的用量很少,一般在1%以下就會展示出極好的緩釋效果。因此緩蝕劑防腐被大量運用于石油、化工、運輸、文物保護等產業。