浅谈材料的腐蚀与防护

[摘要]所有的材料都有一定的使用寿命,在使用过程中将遭受断裂、磨损、腐蚀等损坏。其中,腐蚀失效的危害最为严重,它所造成的经济损失超过了各种自然灾害所造成的损失总和,造成许多灾难性的事故,造成了资源浪费和环境污染。因此,研究与解决材料的腐蚀问题,与防止环境污染、保护人民健康息息相关。文章分析了材料腐蚀的现象,介绍了腐蚀的分类,并给出了材料防护的基本途径。

[关键词]材料腐蚀 腐蚀分类 防护途径7

在现代工程结构中,特别是在高温、高压、多相流作用下,以及在磨损、断裂等的协同作用下,腐蚀损坏格外严重。据统计,材料腐蚀带来的经济损失约占国民生产总值的1.8% ~4.2%。而常用金属材料最容易遭受腐蚀,因此金属腐蚀的研究受到广泛的重视。我们只有在搞清楚材料腐蚀的原因的基础上,才能研制适宜的耐腐蚀材料、涂层及采取合理的保护措施,以达到防止或控制腐蚀的目的。从而减少经济损失和事故,保护环境保障人类健康。

一、腐蚀现象

腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的材料表层逐渐损坏或变质现象,也包括化学、电化学与机械因素获生物因素的共同作用。

1.化学腐蚀

化学腐蚀是由于金属与环境介质产生化学反应的一种腐蚀。化学腐蚀中不产生电流,而在反应界面上形成某种腐蚀产物。例如,铁在高温下氧化生成氧化铁,其氧化反应式为:

这种腐蚀产物一般都覆盖在金属表面上形成一层膜,使金属与介质相互隔离。如果这层生成物结构致密、完整、稳定,并与金属表层牢固结合,即可起到保护基体金属,避免继续氧化的作用,这种保护膜也叫做钝化膜。例如生成Fe3O4、SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化物膜。如果所生成的氧化物膜是不连续的,或是多孔状的,则对基体金属没有保护作用。

2.电化学腐蚀

在实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀,它是金属腐蚀的更重要、更普遍的形式。电化学腐蚀是不同金属之间、金属中不同相之间因电极电位不同而构成原电池所产生的腐蚀,在其腐蚀过程中始终伴随有电流产生,并在反应界面上生成电化学产物。例如,在金相分析中,用硝酸酒精溶液浸蚀珠光体组织时,铁素体与渗碳体相当于组成两个电极,渗碳体电极电位高,形成阴极;铁素体电极电位低,形成阳极。珠光体组织在硝酸酒精溶液中不断溶解,铁原子变为离子进入溶液。其反应式可表示为

阳极: Fe+3e

电子通过溶液到达阴极(渗碳体),在阴极上将电子传导给酸中的氢离子,变为氢气逸出:

阴极: 3+3e3/2H2

原电池不断进行的结果是铁素体被腐蚀,氢离子被还原,渗碳体不被腐蚀。这种原电池腐蚀是在显微组织之间产生的,故称为微电池腐蚀,也叫做局部电池腐蚀。

二、腐蚀的分类

材料腐蚀是一个复杂的过程。由于服役的材料构件存在化学成分、组织结构、表面状态等差异。所处的环境介质的组成、浓度、压力、温度、pH值等千差万别,还处于不同的受力状态,因此材料腐蚀失效的形式很多,大体上可以分为以下几种类型:①均匀腐蚀,腐蚀全面均匀地发生在金属整个表面上;②局部不均匀腐蚀,包括选择腐蚀、点腐蚀等;③晶间腐蚀,集中发生在晶界处并沿晶界向金属内部深入腐蚀;④应力腐蚀,在静拉伸应力和腐蚀性介质共同作用下发生的破坏现象;⑤磨损腐蚀,是一种腐蚀和机械磨损同时存在并相互促进的腐蚀过程;⑥空泡腐蚀,又称气蚀。

三、材料防护的基本途径

1.提高材料本身的耐蚀性。可从材料的热力学稳定性和控制腐蚀动力学两个角度出发提高材料的耐蚀性。

2.改变环境。降低环境的腐蚀性,如除去大气中的SO2,在水溶液中除O2,改变溶液的pH值,在环境中加入缓蚀剂等。

3.采用涂镀层和表面改性。采用金属涂镀层、非金属涂层和改变材料的表面结构,使材料表面具有耐蚀的特性。

4.将材料与腐蚀介质隔开。采用衬里、防锈油、防锈纸等。

5.采用电化学保护。对于金属的电化学腐蚀,可通过阴极极化降低氧化反应速度,或通过实现阳极钝化来达到防腐的目的。

6.正确选材和合理设计。为了防止腐蚀发生,必须重视正确选材,设计时做到材料匹配和结构合理,结构间连接应尽可能防止缝隙产生等。

四、结语

应当指出,腐蚀造成的经济损失并非完全不可避免。通过普及腐蚀与防护知识,推广应用先进的防腐蚀技术,腐蚀造成的经济损失可减少30%~40%。只要搞好腐蚀控制,就可以获得显著地经济效益。

参考文献:

[1]何业东,齐慧滨.材料腐蚀与防护概论.北京:机械工业出版社,2009.2~7.

[2]江利,孙智,吴玉萍.现代金属材料.徐州:中国矿业大学出版社,2000.128~130.

[3]肖纪美.腐蚀总论-材料的腐蚀及其控制方法.北京:化学工业出版社,1994.