金属大气腐蚀-防锈

1金属防锈知识1金属的大气腐蚀罗永秀（武汉材料保护研究所430030）1.1金属的腐蚀金属腐蚀是一门专门的学科。金属材料与周围介质接触发生化学或电化学作用而产生的破坏现象叫金属的腐蚀。腐蚀产物因金属种类和接触介质的不同而异，对于钢铁的腐蚀产物，人们习惯称其为锈，锈蚀的过程叫生锈。金属的腐蚀是其在热力学上不稳定这一固有特性所决定的，是不需外力作用的自发过程。以铁为例：铁从还原态到氧化态，其自由能是减小的，变化过程是自发的，即金属铁在大气条件下成为氧化铁（锈）的过程是一种自然过程。除了金、铂等贵金属在自然界中以原子态存在外，大多数工业上常用的金属如铁、铝、镁、钠等均以离子态存在，它们的原子态不稳定，在自然条件下会发生锈蚀。1.2金属的化学腐蚀金属与周围介质直接的化学作用，不伴随电流发生的腐蚀叫化学腐蚀。金属制品在干燥的大气中与空气中的O2、H2S等起化学作用，在金属表面形成一层金属氧化物：如Fe→Fe2O3Al→Al2O3Cu→CuS通常情况下，这是一层极薄的不可见的膜，若这层膜牢牢地吸附在金属表面，并且是完整致密的，则它将减缓或阻止氧等的侵入，使腐蚀速度迅速降低，如铝在空气中的氧化就属于这一类。若空气中有硫化物，由于金属硫化物的导电性比其氧化物好，因此，形成的膜会较厚，但随着膜层的变厚，腐蚀也很快就减慢，因此，化学腐蚀对于金属在大气中的腐蚀而kJF2.1272言并非主要的。1.3金属的电化学腐蚀金属与周围介质作用，同时伴随有电流发生的腐蚀叫金属的电化学腐蚀。金属的电化学腐蚀过程与原电池的作用相似。在原电池模型中，由两种不同的纯金属构成电极对，两种金属的电位差为电子的流动提供了动力，而在现实中，金属在大气条件下的腐蚀大多是单金属的，它的腐蚀是怎样进行的？下面仍以铁为例加以分析：⑴钢铁并非纯铁，其中有渗碳体和石墨，不同的成分其电极电位不同，金属材料晶格缺陷和应力分布不均等都会带来电位的差别，这就为电子流动提供了动力。⑵嵌在钢铁中的石墨、渗碳体、晶格缺陷等与本体紧密相连，为电子运动提供了通路。⑶在大气条件下，雨水、凝露和雾霜及空气中的水分等均会在钢铁制品表面形成一层水膜，空气中的氧、二氧化碳及其它物质会溶入或混入其中，这就构成了电解质。分析表明：钢铁在大气条件下，其表面具备构成电池的条件，由于所含的渗碳体和石墨等作为阴极的区域均很小，也称为微阴极，构成的腐蚀电池也叫微电池，因此，金属在大气条件下的腐蚀也叫金属的微电池腐蚀，它是在大气条件下，金属腐蚀损坏的主要原因。阻止或减缓金属腐蚀的微电池过程即可阻止或减缓金属的大气腐蚀。1.4金属大气腐蚀的特点在潮湿的大气中，金属表面会形成一层水膜，空气中的CO2、O2、SO2等气体的溶入，使之成为电解液，为金属的腐蚀提供了条件，通常这层水膜极薄，因此金属在大气条件下的腐蚀是在极薄液膜下的电化学腐蚀。由于这层液膜通常是接近中性的，氢离子浓度很低，在微电池的阴极通常是氧的还原过程。阳极：2Fe2e-eF阴极：OHOH22eO2122阴极和阳极产物结合：22)(2eOHFeHOF产物进一步与氧作用：3222e(OH)42)(4FOHOOHFe我们实际看到的铁锈是铁的各种氧化物和氢氧化物的混合物，呈褐色疏松状态。31.5金属大气腐蚀的速度我们以图1的铜锌原电池为例，分析腐蚀速度与哪些因素有关。当合上K1时，可测得电位差约0.7V。当合上K2时，小灯炮会亮，即有电流通过。锌为阳极（负极）失去电子：2Zn2e-nZ锌离子进入溶液中。铜为阴极（正极），电极附近的H+得到电子：2He22H氢气析出。构成上述电池的条件：⑴不同的金属（产生电位差）；⑵导线（供电子流动）；⑶电解质（供离子移动）。V×K1K2e稀H2SO4eZn阳—Cu阴+Zn2+Zn2Zn2H+H+H+H+H+H2图1.铜-锌原电池简图4原电池导通的结果：锌电极渐渐溶入溶液中，即被腐蚀掉。不同的金属构成原电池时，其得失电子的难易程度是不同的，通常用金属的电极电位来衡量之。电极电位愈小的金属愈易失去电子。金属的标准电极电位可在相关资料上查到，在特定条件下的电极电位也可通过相应的公式求得。进一的试验表明：当将K2合上时，小灯泡点亮，但很快就变暗，若断开K2片刻再合上，又会出现上述现象。小灯泡变暗，即电子流量减少，也即推动电子前进的电位差减小，或阻抗变大。下面从电池的组成来分析哪些因素影响电池电化学过程的进行：表1.电池阻抗分解序号阻抗来源原电池腐蚀微电池对总阻抗的影响1导线外电路中的导线,不受时间影响,随温度变化也不大阴极和阳极紧密相连取代了外部电路中的导线可不考虑2电解质在电解质中离子导电,阻力不大在液膜中,离子导电阻力不大在大气条件下,通常液膜的阻抗不大。3阳极随电化学过程的进行,由于双电层中的正离子累积,使电极电位升高(变正)微阳极，电极电位正移阳极电位升高,也叫阳极极化导致电池两极间电位差下降4阴极由于双电层中的离子扩散受阻,使电极中电子累积,导致电位降低(变负)微阴极，电极电位负移阴极电位下降,也叫阴极极化导致电池两极间电位差下降在大气条件下，通常空气中的水分足以在金属表面形成完整的液膜，为金属表面的微电池提供条件，因此，在大气条件下的金属腐蚀主要与微电池的阳极和阴极过程有关。电极的极化导致两极间的电位差下降，使腐蚀速度减慢，甚至停止。若这种极化是以阳极过程为主，则腐蚀速度就由阳极控制，反之则由阴极控制，当阳极和阴极极化程度相近时，金属的腐蚀速度属混合控制。任何能引起阳极或阴极极化的方法，都能使金属的腐蚀速度变慢或终止，这就是人们能够采用各种方法防锈的理论基础。1.6防止金属大气腐蚀的常用方法防止金属锈蚀的方法很多，常用的几种方法如下：5⑴暂时性防锈材料防锈水基防锈剂防锈、气相防锈材料防锈、防锈油脂防锈、可剥性塑料防锈。⑵干燥空气封存防锈⑶包装空间充氮气防锈⑷提高金属材料的耐蚀性⑸形成永久性保护膜磷化、发黑、电镀、喷涂、物理沉积、涂料等。