金屬材料的腐蝕與防護分析

文楊昊

（佳木斯大學 材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154000）

盡管金屬材料具有優異的性能，但是在使用過程中出現腐蝕就會造成不可避免的損耗，導致材料的性能降低。導致金屬材料腐蝕的影響因素較多，且其使用廣泛，應用在不同的環境，因此我們從根本上無法避免材料遭受腐蝕。據不完全統計，全球每年因腐蝕所造成的損失約達7000億美元，此外材料的腐蝕破損或斷裂不僅會引起有害物質的泄露，污染環境，有時還會引起突發的災難性事故，威脅人們的生命[4]。為此，研究金屬的腐蝕原理以及金屬所處環境用以解決金屬材料的防腐問題勢在必行，具有極其重要的社會經濟意義。

1 金屬腐蝕機理

就腐蝕而言它是指材料遭受環境的作用使自身性能喪失或遭到破壞。這種定義不僅適用于金屬材料，也可適用于塑料、陶瓷、混凝土和木材等無機材料。上述定義并不夠明確，因此我們對于金屬材料有更為明確的定義，考慮到金屬腐蝕的機理，將其定義為：金屬與介質發生化學或電化學作用導致金屬基體受到損壞或變質。

金屬腐蝕的本質為金屬的穩定性遭到破壞。金屬腐蝕反應大多為電化學或化學作用，導致金屬轉變為離子狀態，金屬價態升高，從最初的零價轉為正的離子態。例如Fe的腐蝕，從Fe轉化為FeO，此時Fe為+2價。價態升高金屬被氧化造成了腐蝕，從這里不難看出腐蝕的實質也可以理解為金屬被氧化，從而導致環境與金屬構成的熱力學系統不穩定。

對于腐蝕機理我們對于物理作用這里不加以討論，不僅僅是因為我們定義給出的是發生化學或電化學反應。更是因為在日常生活生產中單純的因為物理因素發生的腐蝕屬于極少數案列，并且機械加壓所造成的腐蝕現象不屬于金屬腐蝕的案列，故不做討論。

2 金屬腐蝕的分類

由于金屬腐蝕的復雜機理，不僅與金屬本身的性質有關，也與金屬所處環境以及發生的化學或電化學反應有關，以下內容將根據金屬腐蝕原因及現象進行分類。

2.1 按金屬腐蝕的機理分類

化學腐蝕：指金屬與環境中的某種介質進行了化學反應從而引起自身的變質或破壞，其主要特點為反應不產生電流。

電化學腐蝕：指金屬與環境介質組成電極，組成了腐蝕原電池，從而導致金屬表面被破壞，其反應為氧化還原反應，與化學腐蝕相比較其反應過程中產生了電流。

物理腐蝕：指金屬受到單純的物理溶解作用并不發生任何化學反應而遭受的破壞。許多金屬在高溫熔鹽，熔堿及液態金屬可發生這種腐蝕。

2.2 按金屬腐蝕的破壞形式分類

全面腐蝕：指均勻腐蝕或不均勻腐蝕，金屬表面被全部破壞。這種腐蝕現象比較明顯，金屬發生的氧化還原反應區域較小，腐蝕情況較輕，因此對于金屬設備等產生的危害較小[1]。

局部腐蝕：局部腐蝕是相對于全面腐蝕來說的。局部腐蝕只集中在金屬器具的某一部分，它很難被人們所察覺注意到。并且發生局部腐蝕時，金屬陰陽兩極區域分開，陰極區域比陽極區域大，基于此局部腐蝕的強度較大。全面腐蝕雖然可以造成大面積的損傷，但局部腐蝕難以預測和預防，往往在沒有先兆的情況下發生破壞，給我們造成巨大的經濟損失，更嚴重的可能威脅人的生命安全。

局部腐蝕的主要類型分為以下幾個方面：第一方面是點蝕現象，當金屬在某種環境介質中經過一段時間后，金屬表面大部分不發生腐蝕或腐蝕很輕微，只在個別表面或部位出現腐蝕小孔或麻點。第二方面是晶間腐蝕，金屬的微觀結構存在這晶界，晶間腐蝕是金屬的晶界受到破壞的現象。通常由表面向內部延伸，使原子間結合力降低或喪失，使金屬遭到毀滅性的破壞。這種腐蝕現象只能夠顯微鏡才能夠觀察的到，不易發覺，危害性極大。其通常表現為敲擊金屬表面不發生清脆的響聲。第三方面是縫隙腐蝕，金屬制品的鏈接出通常會存在間隙，這就是縫隙腐蝕發生的地方，這種腐蝕會導致縫隙內介質處于滯留狀態，引起縫隙內或附近金屬的加速腐蝕。

應力作用下的腐蝕：應力腐蝕是指金屬受到外加應力和環境介質的復合作用所開裂及斷裂失效現象。我們所制造的金屬設備通常都會收到外加載荷的作用，例如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等方式直接作用于金屬上，或通過接觸面的相對運動、高速流體的流動沖擊金屬表面。應力腐蝕又包括腐蝕開裂、氫致開裂、腐蝕疲勞，沖刷疲勞等等。

2.3 按金屬腐蝕環境分類

大氣腐蝕（干腐蝕）：指金屬處在大氣中所遭受的腐蝕，其特點為腐蝕范圍廣，數量多。因為很多金屬所處環境都暴露于大氣中。

工業介質中的腐蝕：包括酸、堿、鹽及有機溶液中的腐蝕。

熔融金屬的腐蝕：通常為物理作用的破壞。

微生物腐蝕：實質上也是電化學腐蝕。指金屬所處環境中含有微生物，由微生物改變了金屬的某些性質。

3 金屬腐蝕的危害

金屬的腐蝕不僅有破壞性也具有廣泛性。金屬材料廣泛應用在我國社會發展的各個領域，如基礎公共設施、交通行業、生產制造及公共事業等等。因此金屬腐蝕也將發生在這些領域。

金屬腐蝕所造成的破壞會影響金屬設備的使用，從而導致機械生產效益不達標進而造成經濟損失。據調查研究，在2014年中國直接腐蝕成本達到10639.1億人民幣，相當于中國公民人均一年花費1555元，這不僅僅是經濟上的損失，更是金屬資源的損失[4]。

金屬的腐蝕也發生在各種化學，化工企業。在這些企業中如果發生金屬腐蝕從而產生破壞，導致有毒原料泄露。污染周邊環境，可能會威脅到人們的生命安全。2013年的青島市黃島區，因為管道腐蝕導致管道壁減薄引起了輸油管線爆炸。2014年的臺灣高雄多條街道發生了可燃氣體外泄并引發了大爆炸導致多人死亡和受傷，事后調查其根源，發現也是由金屬腐蝕所引起的。

只要我們做好金屬材料腐蝕的防護與控制，就可以從很大程度上減小上述現象以及減少我們國家的經濟損失，還能在一定程度上保障我們的生命安全。

4 金屬材料的腐蝕防護分析

實際上除了研究金屬腐蝕的機理和危害，國內外的學者更致力于通過了解腐蝕形成的機理怎樣去解決金屬腐蝕的危害，去研究防腐的方法，讓金屬資源更好的服務于人類社會[3]。目前，在學術界對于防腐技術有著日新月異的發展，研究日益豐富，見解不一，下文將闡述幾種主要的防腐方法。

4.1 金屬涂鍍層保護法

金屬涂鍍層保護法指在金屬表面覆蓋了一層薄膜，這層薄膜不僅可以防腐蝕還可以為金屬表面提供其它性能。這種保護方法非常實用，具有高效率、使用便捷及操作方便等特點，因此國家也在大力推廣發展相應技術[2]。但這種方法也有其弊端，需要考慮鍍層與金屬間的反應和其鍍層的老化速度。金屬涂鍍層的方法主要有熱浸鍍、機械鍍、刷鍍、電鍍、化學鍍、滲鍍和熱噴涂。

涂鍍層保護法中熱噴涂應用最為廣泛，熱噴涂是用熱源將涂層材料加熱到融化狀態，隨后用高速氣流將其噴射到金屬表面形成薄膜。熱噴涂的技術特點是：噴涂效率極高；能夠噴涂金屬、陶瓷、木材及玻璃等各種固體表面不僅僅是金屬表面；噴涂后可賦予材料更多的性能，例如更高的強度，耐磨性和抗高溫氧化性等，更重要的是它可以應用于各種尺寸的金屬工件進行噴涂。

4.2 電化學保護

電化學保護法分為陽極保護法和陰極保護法，其主要原理是利用電化學反應，金屬在外加電流的控制下可以鈍化，不發生氧化還原反應，從而獲得保護。這種方法主要應用在各種地下建筑物，水下建筑或海洋工程，這類型建筑容易構建電化學保護方法，并且它被認為是一種極為經濟的保護方法，例如一艘輪船在建造過程中，如果采用金屬涂鍍層保護法，涂裝費用將高達5%，而電化學保護法僅為1%。

4.3 緩蝕劑保護法

緩蝕劑保護法不同于別的保護方法，它是將緩蝕劑加入到金屬材料所處的環境介質中，防止或減慢腐蝕的化學物質或幾種化學物質。一般情況下，加入微量或少量的緩蝕劑即可達到目的，使腐蝕速度顯著降低或不被腐蝕，還可保障金屬原有性質不被改變。緩蝕劑特點為設備簡單方便操作、用量少，效率高等。如今已經應用于冶金、化工、機械制造等行業。

緩蝕劑根據化學性質可分為有機緩蝕劑和無機緩蝕劑。無機緩蝕劑能在金屬表面形成薄膜，使金屬與介質分開。而在酸性介質中，無機緩蝕劑效率極低，因而常采用有機緩蝕劑。

5 結語

綜上所述，金屬材料在我國的發展歷程中扮演著重要的角色，涉及到許多重要領域，因此金屬防腐蝕也是我國學者研究的主要內容。目前所掌握的防腐技術日新月異高速發展，呈現多元化的趨勢，研究也趨向于實用。但我國的防腐技術仍不能與世界頂尖水平相比較，仍有很長的路要走。面對一些新型材料防腐技術以及一些更加復雜的環境對我們都將是一個考驗。因此進一步研究發展金屬材料的防腐技術仍具有重要的研究價值和現實意義。