淺談鐵的腐蝕與防護
2011-12-31 00:00:00婁海洋
中學教學參考·理科版 2011年11期
如今鋼鐵的應用十分普遍，但由于鐵制品腐蝕的原因而造成的損失也是巨大的。據統計，世界上冶煉得到的鐵中約有1/3由于生銹在工業中報廢.1984年12月，美國聯合碳化物公司開設在印度博帕爾邦的農藥廠，就是因為設備腐蝕引起異氰酸甲酯泄露，造成2500多人死亡，幾萬人雙目失明。可見腐蝕給人類帶來的經濟損失和社會危害是巨大的。
一、鐵是怎樣被腐蝕的
1.鐵的電化學腐蝕
鐵的電化學腐蝕現象是最普遍，造成的危害也是最為嚴重的。鐵發生電化學腐蝕的本質是形成原電池，形成原電池的關鍵是兩個電極之間要存在電勢差。鐵的電化學腐蝕中的兩個電極反應的電極電勢如下：
Fe-2e-=Fe2+， E(Fe2+/Fe)=-0.409V
在中性溶液中：2H2O+O2=4OH-，E(O2/H2O)=0.401V
在酸性溶液中：2H++2e-=H2↑，E(H+/H2)=0V
隨著環境pH的上升，在被腐蝕的鐵表面，就形成Fe（OH）2沉淀。但是在溶液為近中性或弱堿性，且溶液中有氧的話，二價的鐵會氧化為三價的氧化鐵，也就是常見的紅棕色鐵銹。反應過程如下：
Fe2++2OH-=Fe（OH）2(白色或綠色沉淀)
4Fe（OH）2+O2=2Fe2O3+4H2O
假如溶液中沒有充足的氧，就會形成四氧化三鐵：
6Fe（OH）2+O2=2Fe3O4#8226;H2O（綠色）+4H2O
Fe3O4#8226;H2O=H2O+Fe3O4(黑色)
所以大部分的鐵銹是分層的。在最外層，由于有充足的氧，形成的是紅棕色的三氧化二鐵；里層由于缺氧而形成黑色的四氧化三鐵；中間是含水的四氧化三鐵。
另外，鐵的生物腐蝕屬于電化學腐蝕。據有關報道，在硫酸鹽還原菌的作用下，在土壤中9年能把10mm的鋼管穿孔，海水中兩年可腐蝕透8mm的船艙鋼板，由此可見在一定條件下鐵的腐蝕速率是驚人的。按腐蝕菌生長發育中對氧的需求，通常分為好氧腐蝕菌和厭氧腐蝕菌。好氧腐蝕菌包括硫氧化菌、鐵細菌及形成黏液的異氧菌。厭氧菌主要是硫酸鹽還原菌，是土壤中主要的細菌。
好氧腐蝕菌必須在游離氧的環境中生存，如好氧性氧化鐵桿菌，它依靠金屬腐蝕過程所生成的Fe2+氧化為Fe3+時釋放出的能量維持其新陳代謝，存在于中性含有有機物和可溶性鐵鹽的水、土壤及銹層中。厭氧菌必須在缺乏游離氧的條件下才能生存，如硫酸鹽還原菌是種常見的厭氧型菌，其種類繁多，廣泛存在于中性的土壤、河水、海水、油井、港灣及銹層中。這些不同性質的細菌的聯合腐蝕常發生于水管的內壁，在那里，首先是氧化鐵桿菌將水管腐蝕溶解下來的Fe2+氧化為Fe3+，并形成Fe(OH)3沉淀，附著在水管內壁生成硬殼狀銹瘤。銹瘤下面的金屬表面缺氧，恰好為硫酸鹽還原菌提供生存和繁殖場所。這樣，兩類腐蝕菌相輔相成，更加快了瘤下金屬的溶解。取下銹瘤，經分析發現其中的腐蝕產物含有1．5%～5%硫化物，每克腐蝕產物中含有近千條硫酸鹽還原菌。
2.鐵的化學腐蝕
單純有化學反應而引起的腐蝕叫做化學腐蝕。如鐵與干燥的氣體（O2、H2S、SO2、Cl2）接觸時，在鐵的表面生成相應的化合物；溫度對鐵的化學腐蝕影響很大，如常溫下鋼材在干燥空氣中不易被腐蝕，但在高溫下很容易被氧化，生成一層氧化膜（由FeO、Fe2O3、Fe3O4組成）同時容易形成脫碳現象，使鐵中的含碳量逐漸減小，導致鐵的硬度減小。
二、防止鐵腐蝕的方法
1.改變鐵的內部組織結構
制造各種耐腐蝕的鐵合金，如在普通鋼鐵中加入10%以上的鉻和適量的鎳、鈦及其他元素制成不銹鋼。
2.保護層法
在鐵的表面覆蓋保護層，使鐵制品與周圍腐蝕介質隔離，從而防止腐蝕。如在鐵制品表面涂上機油、凡士林、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等非金屬材料；用電鍍、熱鍍、噴鍍等方法，在鐵制品表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬，如鋅、錫、鉻、鎳等；用化學方法在鋼鐵制品表面進行“烤藍”，就是先除掉鐵制品的油和銹，然后浸在氫氧化鈉與亞硝酸鈉的溶液中，加熱后急劇冷卻形成一層緊密的、藍黑色的四氧化三鐵保護膜。
3.化學保護
電化學保護法包括陽極保護法和陰極保護法兩種類型。陽極保護法就是利用外加直流電源，把鐵接在正極上，理論上這應該加速鐵的腐蝕，但在適當的電位范圍內使鐵制品發生鈍化現象，從而得到有效的保護。陰極保護法就是將鐵制品作為腐蝕電池的陰極，使其不受到腐蝕，這種方法應用比較常見，它有以下兩種形式：
犧牲陽極保護法、外加電源的保護法。
4.對腐蝕介質進行處理
經常擦拭鐵制品的表面，保持其表面潔凈和干燥，以消除腐蝕介質。將緩蝕劑少量地加到腐蝕介質中，可以顯著地減小腐蝕的速率。對于生物腐蝕主要對腐蝕介質進行電離射線、超聲波處理，也可利用殺菌劑和微生物控制法來抑制或殺死腐蝕菌。
5.離子注入技術
科學家在月球表面發現一種前所未有的、不生銹的鐵，被稱為月球鐵，據研究是太陽不斷發射各種離子，這些離子沒有大氣層的阻擋，順利地鉆進月球鐵的內部，在表面形成了一層無形的盔甲，保護了鐵。后來科學家將這種離子注入新技術成功地應用于鐵及鐵制品，使鋼鐵耐磨、更堅韌、更耐腐蝕。
總之，隨著物理、化學和生物等學科及其交叉學科的發展，控制鐵制品腐蝕的新興技術也會得以產生和深入發展。
(責任編輯 廖銀燕）
