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金屬的腐蝕與防護

2009/3/28      

當金屬和周圍介質接觸時,由于發生化學和電化學作用而引起的破壞叫做金屬的腐蝕。從熱力學觀點看,除少數貴金屬(如au、pt)外,各種金屬都有轉變成離子的趨勢,就是說金屬腐蝕是自發的普遍存在的現象。金屬被腐蝕后,在外形、色澤以及機械性能方面都將發生變化,造成設備破壞、管道泄漏、產品污染,釀成燃燒或爆炸等惡性事故以及資源和能源的嚴重浪費,使國民經濟受到巨大的損失。據估計,世界各發達國家每年因金屬腐蝕而造成的經濟損失約占其國民生產總值3.5%~4.2%,超過每年各項天災(火災、風災及地震等)損失的總和。有人甚至估計每年全世界腐蝕報廢和損耗的金屬約為1億噸!因此,研究腐蝕機理,采取防護措施,對經濟建設有著十分重大的意義金屬防腐蝕的方法很多,主要有改善金屬的本質,把被保護金屬與腐蝕介質隔開,或對金屬進行表面處理,改善腐蝕環境以及電化學保護等。

(1)改善金屬的本質

    根據不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金,或在金屬中添加合金元素,提高其耐蝕性,可以防止或減緩金屬的腐蝕。例如,在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強防腐蝕能力。

(2)形成保護層

    在金屬表面覆蓋各種保護層,把被保護金屬與腐蝕性介質隔開,是防止金屬腐蝕的有效方法。工業上普遍使用的保護層有非金屬保護層和金屬保護層兩大類。它們是用化學方法,物理方法和電化學方法實現的。

①金屬的磷化處理

    鋼鐵制品去油、除銹后,放入特定組成的磷酸鹽溶液中浸泡,即可在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜,這種過程叫做磷化處理。

    磷化膜呈暗灰色至黑灰色,厚度一般為5 μm~20 μm,在大氣中有較好的耐蝕性。膜是微孔結構,對油漆等的吸附能力強,如用作油漆底層,耐腐蝕性可進一步提高。

②金屬的氧化處理

    將鋼鐵制品加到naoh和nano2的混合溶液中,加熱處理,其表面即可形成一層厚度約為0.5 μm~1.5 μm的藍色氧化膜(主要成分為fe3o4),以達到鋼鐵防腐蝕的目的,此過程稱為發藍處理,簡稱發藍。這種氧化膜具有較大的彈性和潤滑性,不影響零件的精度。故精密儀器和光學儀器的部件,彈簧鋼、薄鋼片、細鋼絲等常用發藍處理。

③非金屬涂層

    用非金屬物質如油漆、塑料、搪瓷、礦物性油脂等涂覆在金屬表面上形成保護層,稱為非金屬涂層,也可達到防腐蝕的目的。例如,船身、車廂、水桶等常涂油漆,汽車外殼常噴漆,槍炮、機器常涂礦物性油脂等。用塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等)噴涂金屬表面,比噴漆效果更佳。塑料這種覆蓋層致密光潔、色澤艷麗,兼具防蝕與裝飾的雙重功能。

    搪瓷是含sio2量較高的玻璃瓷釉,有極好的耐腐蝕性能,因此作為耐腐蝕非金屬涂層,廣泛用于石油化工、醫藥、儀器等工業部門和日常生活用品中。

④金屬保護層

    它是以一種金屬鍍在被保護的另一種金屬制品表面上所形成的保護鍍層。前一金屬常稱為鍍層金屬。金屬鍍層的形成,除電鍍、化學鍍外,還有熱浸鍍、熱噴鍍、滲鍍、真空鍍等方法。

    熱浸鍍是將金屬制件浸入熔融的金屬中以獲得金屬涂層的方法,作為浸涂層的金屬是低熔點金屬,如zn、sn、pb和al等。熱鍍鋅主要用于鋼管、鋼板、鋼帶和鋼絲,應用最廣;熱鍍錫用于薄鋼板和食品加工等的貯存容器;熱鍍鉛主要用于化工防蝕和包覆電纜;熱鍍鋁則主要用于鋼鐵零件的抗高溫氧化等。

(3)改善腐蝕環境

    改善環境對減少和防止腐蝕有重要意義。例如,減少腐蝕介質的濃度,除去介質中的氧,控制環境溫度、濕度等都可以減少和防止金屬腐蝕。也可以采用在腐蝕介質中添加能降低腐蝕速率的物質(稱緩蝕劑)來減少和防止金屬腐蝕。

(4)電化學保護法

    電化學保護法是根據電化學原理在金屬設備上采取措施,使之成為腐蝕電池中的陰極,從而防止或減輕金屬腐蝕的方法。

①犧牲陽極保護法

    犧牲陽極保護法是用電極電勢比被保護金屬更低的金屬或合金做陽極,固定在被保護金屬上,形成腐蝕電池,被保護金屬作為陰極而得到保護。

    犧牲陽極一般常用的材料有鋁、鋅及其合金。此法常用于保護海輪外殼,海水中的各種金屬設備、構件和防止巨型設備(如貯油罐)以及石油管路的腐蝕。

②外加電流法

    將被保護金屬與另一附加電極作為電解池的兩個極,使被保護的金屬作為陰極,在外加直流電的作用下使陰極得到保護。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金屬設備的腐蝕。

    金屬的腐蝕雖然對生產帶來很大危害,但也可以利用腐蝕的原理為生產服務,發展為腐蝕加工技術。例如,在電子工業上,廣泛采用印刷電路。其制作方法及原理是用照相復印的方法將線路印在銅箔上,然后將圖形以外不受感光膠保護的銅用三氯化鐵溶液腐蝕,就可以得到線條清晰的印刷電路板。三氯化鐵腐蝕銅的反應如下:

2FeCl3+Cu==2FeCl2+CuCl2

    此外,還有電化學刻蝕、等離子體刻蝕新技術,比用三氯化鐵腐蝕銅的濕化學刻蝕的方法更好,分辨率更高。

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