金屬腐蝕原理及防護簡介

王苗偉

摘 要：金屬材料在生活中用處很廣，而它的腐蝕自發進行，常造成巨大損失。文章介紹了金屬腐蝕的危害與腐蝕原理，詳細闡述了幾種常用的金屬防腐手段及其作用原理，最后做出總結。

關鍵詞：金屬腐蝕;腐蝕原理;防護手段

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0084-02

材料是現代社會和科學發展的重要支柱，與我們的生活密切相關。隨著經濟發展和社會進步，各色各樣的金屬制品運用越來越多、無處不在。運用廣泛的金屬材料分黑色金屬、有色金屬兩類。黑色金屬包括鐵、鉻、錳及其合金;有色金屬則是除鐵、鉻、錳之外的所有金屬及合金。工業化給金屬材料提供了廣闊的舞臺，同時也加速了金屬的腐蝕，使得金屬腐蝕與防護的工作倍受重視。每年全球因腐蝕造成的金屬損失量約占金屬總產量的30%[1]。2014年我國腐蝕總成本約占當年GDP的3.34%，總額超過2.1萬億元人民幣。因此做好金屬腐蝕與防護的工作很有必要。本文主要介紹金屬腐蝕以及一些常用的防護手段。

1 金屬腐蝕分類

金屬腐蝕是材料受環境介質的化學作用或電化學作用而變質和破壞的現象，這是一個自發的過程。根據金屬腐蝕機理可分為電化學腐蝕和化學腐蝕兩種，其中絕大多數腐蝕均是發生電化學腐蝕。

1.1 電化學腐蝕

金屬在環境中與電解質溶液接觸，同金屬中的雜質或不同種金屬之間形成電位差，構成腐蝕原電池而引起金屬腐蝕的現象稱為電化學腐蝕。腐蝕歷程可分為兩個獨立的并同時進行的陽極（發生氧化反應）和陰極（發生還原反應）過程，反應過程中有電流產生。其可分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種。腐蝕電池反應如下[2]：

陽極：Fe→Fe2++2e

陰極：2H++2e→2H→H2（酸性介質中的析氫反應）

O2+4H++4e→2H2O或O2+2H2O+4e→4OH-（酸性或中性介質中的吸氧反應）

1.2 化學腐蝕

金屬材料在干燥氣體和非電解質溶液中發生純化學作用而引起的腐蝕損傷稱為化學腐蝕。反應歷程是材料表面原子與非電解質中的氧化劑直接發生氧化還原反應，反應過程無電流產生。例如在鋼鐵冶煉過程中，高溫氧化性氣體作用于鋼鐵表面而生成氧化鐵及脫碳的腐蝕現象就是化學腐蝕。

2 金屬腐蝕防護手段

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。

2.1 金屬表面處理

金屬表面處理主要是指通過物理、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。

2.1.1 涂層防護

涂料涂層防腐具有悠久的歷史。從最早的桐油、大漆到現在各類多樣的防護涂料，涂料涂層隨處可見。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。涂層防腐具有經濟、方便、有效、應用普遍的特點。涂料涂層除去防護金屬免遭腐蝕的作用外，還有美觀、標志以及一些特殊功能。涂料防護有施工及修復簡便、不受待涂裝設備大小形狀限制等優點[3]。常用的涂料施工工藝有刷涂、輥涂、噴涂等，常用的漆有環氧樹脂漆、聚氨酯漆、醇酸樹脂漆、酚醛樹脂漆、丙烯酸樹脂漆等。

2.1.2 金屬層防護

金屬層防護主要是指在基材表面覆蓋一層金屬或合金，將保護對象同腐蝕介質隔離開，以達到對基材金屬產生保護的目的。在基材表面覆蓋十幾微米的保護層，可以大大提高材料的耐腐蝕性，節省大量的資源。覆蓋金屬保護層的手段有電鍍、化學鍍、熱浸鍍、真空鍍等[4]。從鍍層與保護金屬的電極電位區分，有陽極性鍍層和陰極性鍍層兩種。其中陽極性鍍層在受到破壞后依舊對基材有保護作用，而陰極性鍍層受到破壞后則會加速基材腐蝕。

2.1.3 陽極氧化處理

外加電源并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的過程叫陽極氧化。陽極氧化工藝主要運用于鋁、鎂、鈦及其合金。這些金屬表面自身會生成一種薄的氧化膜，但是天然氧化膜層的各項性能都較弱[5]。通過陽極氧化處理后，表面生成的幾微米至幾百微米的氧化膜更致密，耐蝕性、耐磨性及裝飾性等性能均有很大的提高。

2.1.4 氧化處理

氧化處理是化學表面處理的一種常用手段，在強氧化劑的作用下，鋼鐵件表面生成一微米左右厚的保護性氧化膜以隔絕腐蝕介質。氧化膜的顏色一般呈黑色或藍黑色，因此氧化處理也稱作發藍處理。這種氧化膜膜層薄且有較好潤滑性，不影響零件精密度，故發藍常用于精密儀器、儀表、武器等防護和裝飾處理。

2.1.5 磷化處理

鐵、鋅等金屬及其合金在酸性磷酸鹽溶液中浸泡，在金屬表面發生化學和電化學反應并生成磷酸鹽化學膜的過程是磷化處理，生成的磷酸鹽化學膜稱為磷化膜[6]。磷化是常用的金屬前處理技術，生成的磷化膜能給基體提供保護，隔絕腐蝕介質;提高涂層漆膜對基材的附著力，延長使用壽命。

2.1.6 合金化處理

合金化處理是通過往金屬中摻雜其他元素（碳、鎳、錳等），以改善耐蝕性、耐磨性等性能的技術。例如對鋼鐵做滲碳滲氮處理，使碳氮元素進入鋼材表面層，可大大提高鋼鐵硬度。不銹鋼就是在鐵的冶煉過程中加入鎳、鉻、碳等元素而形成的特殊鋼材，其耐腐蝕性較一般鋼材有很大提高，并有良好的力學性能。

2.2 電化學保護法

電化學保護法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。犧牲陽極保護法是在基材表面連接電位更低的金屬或合金，后者在電解質溶液中充當陽極，基材則被保護成為陰極。例如在艦船底部每隔一段距離焊上鋅塊，以減緩鐵基船底在海水中的腐蝕。外加電流的陰極保護法是通過引入外電源，電源負極與被保護基材相接，使得基材成為陰極而減緩腐蝕。一些埋地石油管道、接地電網等常用此方法防腐。與外加電流的陰極保護法不同，陽極保護法則是將金屬接外電源的正極，使基材電位達到較正的值，而后在金屬表面生成氧化膜，進而保護金屬降低腐蝕。陽極保護法適用于易鈍化的體系，一般用在氧化性強的介質中。

2.3 改善腐蝕環境

改善金屬材料所處的腐蝕環境對降低腐蝕速度很有必要。常用的方法有添加緩蝕劑，通過在金屬所處環境中加入緩蝕物質可以有效降低其腐蝕速度。緩釋劑的用量很少，一般在1%以下，但緩釋效果卻十分明顯，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[7]。此外，在埋地管道周圍填充干燥的砂石以避免管道直接與土壤接觸，這也是改善腐蝕環境的一種手段。

3 結語

不管在生活中，亦或是在工業生產里，金屬腐蝕及防護的工作都有著十分重要的意義。金屬材料的防腐手段多種多樣，針對不同的材料、不同的腐蝕條件需要使用合適的防腐技術。由于腐蝕條件的復雜，同一種材料往往需要多種防護手段相結合，這樣才能更好地保護材料，延長使用壽命。另外，設備在生產之前進行合理的選材和結構設計，也是提前預防或避免腐蝕的重要手段。最后，研究開發更優異的耐蝕材料和防護手段是未來的發展方向，需要我們共同的努力。

參考文獻

[1] 葛紅花，汪洋，周國定，等.普及金屬腐蝕與防護知識重要性的研究[J].上海電力學院學報，2007，23（1）：61-64，74.

[2] 陶琦，李芬芳，邢健敏.金屬腐蝕及其防護措施的研究進展[J].湖南有色金屬，2007， 23（2）：43-46.

[3] 郭清泉，陳煥欽.金屬腐蝕與涂層防護[J].合成材料老化與應用，2003，32（4）：36-39.

[4] 李冬梅.淺談金屬腐蝕與防護方式[J].全面腐蝕控制，2018，32（3）：27-28.

[5] 李明祥，鄒玉潔，孫寶龍，等.鋁合金陽極氧化技術發展[J].電鍍與精飾，2014，36（8）：41-46.

[6] 詹華露，李廣學，劉萬青，等.磷化處理技術現狀及發展方向[J].安徽化工，2013，39（2）： 12-15.

[7] 馬厚義，崔聰穎，陳婷.金屬腐蝕與防護簡談[J].電化學，2011，17（3）：288-291.