金属腐蚀与防护课件——金属在某些环境中的腐蚀

第十三章金属在某些环境中的腐蚀与防护1.大气腐蚀与防锈•大气的主要成分相对湿度：空气中水蒸气含量与同温度下饱和水蒸气含量的比值的百分数。空气的相对湿度对金属的大气腐蚀有重要的影响。•大气的次要成分(杂质)大气腐蚀成分克/米３重量％成分毫克/米３重量空气氮(N2)氧(O2)氩(Ar)水蒸汽二氧化碳11728792691580.510075231.260.700.04氖(Ne)氪(Kr)氦(He)氙(Xe)氢(H2)1440.80.50.051230.70.40.04大气的近似组成（不包括杂质）温度10oC,压力100KN/m2根据Meetham.转引自＜Corrosion＞上卷P2.4大气腐蚀杂质典型浓度，微克/米３二氧化硫(SO2)工业区：冬天350.夏天100农村地区：冬天100.夏天40二氧化硫(SO3)大约为SO2含量的10％硫化氢(H2S)工业区：1.5~90城市地带：0.5~1.7农村地区：0.15~0.45春季测量的数字氨(NH3)工业区：4.8农村地区：2.1氯化物(空气样品)内地工业区：冬天4.8夏天2.7沿海农村区：年平均5.4氯化物(雨水样品)内地工业区：冬天7.9夏天5.3沿海农村区：冬天57夏天18毫克/升尘粒工业区：冬天250夏天100农村地区：冬天60夏天15大气杂质的典型浓度根据Meetham.转引自Shreired.Corrosion•金属表面上的水膜金属表面上的水膜对大气腐蚀起着关键性作用。(1)当空气湿度达到100%，形成肉眼可见的水膜。(2)当空气的相对湿度低于100%，金属表面也可能形成水膜，其原因有三：◆毛细凝聚◆化学凝聚◆吸附凝聚(3)金属表面上形成的水膜并不是纯净的水，因此，大气腐蚀属于电化学腐蚀范畴。大气腐蚀毛细管半径,Ao冷疑时相对湿度%毛细管半径,Ao冷疑时相对湿度%3609447989080302115706050毛细管半径与水汽冷疑所需相对湿度的关系1.构件中的狭缝2.金属表面上的灰尘3.腐蚀产物中的细孔大气腐蚀条件下水汽毛细凝聚的可能中心大气腐蚀溶液中的盐相对温度%溶液中的盐相对温度%硫酸铜CuSO4.5H2O硫酸钾K2SO4硫酸钠Na2SO4碳酸钠Na2CO3.10H2O硫酸亚铁FeSO4.7H2O硫酸锌ZnSO4.7H2O硫酸镐3CdSO4.8H2O氯化钾KCl硫酸铵(NH4)2SO4989893929290898681氯化铵NH4Cl氯化钠NaCl氯化亚铜CuCl2.2H2O氯化亚铁FeCl2氯化镍NiCl2碳酸钾K2CO3.2H2O氯化镁MgCl2.6H2O氯化钙CaCl2.6H2O氯化锌ZnCl2.XH2O807668565444343210与饱和盐溶液平衡的空气相对湿度(20oC)(根据ToMaWoB.O’Brient等)大气腐蚀1008060402005060708090100相对湿度%洁净的,细磨过的铁表面上吸附的水膜厚度变化与空气相对湿度的关系初期大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系(ConoSion)分子层数腐蚀速度水膜厚度δⅣⅠⅢⅠ:干的大气腐蚀δ=10~100ÅⅡ:潮的大气腐蚀δ=100Å~1ųmⅢ:湿的大气腐蚀δ=1ųm~1mmⅣ:全浸δ1mmⅠⅡ•大气腐蚀的特点大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系腐蚀速度水膜厚度ⅠⅡⅢⅣ大气腐蚀速度随金属表面水膜厚度的变化•大气腐蚀的三种类型(1)干的大气腐蚀当空气十分干燥，金属表面上不存在水膜金属的腐蚀属于常温氧化。(2)潮的大气腐蚀当Rh100%，在金属表面上存在肉眼不可见的薄液膜，随水膜厚度增加,V-迅速增大。(3)湿的大气腐蚀当Rh≈100%，金属表面上形成肉眼可见的水膜，随水膜厚度增加，V-逐渐减小。•大气腐蚀的特点(1)氧分子还原反应速度较大，成为主要的阴极过程。即使液膜呈酸性，氧分子还原反应仍占阴极过程的主要地位。(2)在薄的液膜下氧容易到达金属表面，有利于金属钝化；潮的大气腐蚀受阳极极化控制，湿的大气腐蚀受阴极极化控制(3)由于水膜薄，腐蚀过程的产物仍留在水膜中，因此腐蚀产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响。大气腐蚀302010501001502001.21.00.80.60.40.200200400600析出H2或吸收O2的体种(cm3/dm2)镁在全浸,蒸镏水薄膜和洁净大气条件下腐蚀时的氢去极化及氧去极化全浸薄水膜大气腐蚀氧去极化氢去极化(根据ToMawoB)150150120906030氧扩散层厚度(ų)氧还原反应速度(mA/cm2)水膜厚度(ų)铜表面上水膜厚度(0.1NNacl)与氧还原反应速度及氧扩散层厚度的关系氧还原反应速度氧扩散层厚度(根据Po3eHΦe∧b4)121•大气腐蚀的影响因素（1）气候条件：湿度；降水量；温度；日照量（2）大气污染物质SO2：能强烈促进钢铁的大气腐蚀盐粒：溶解于金属表面水膜，增加吸湿性和导电性，氯离子还具有强腐蚀性。烟尘：烟尘落在金属表面，能吸附腐蚀性物质(如炭粒)，或者在金属表面上形成缝隙，增加水汽凝聚(如硅质颗粒)。大气腐蚀1201008060402002040608010暴露55天腐蚀增量大气腐蚀相对湿度(%)铁的大气腐蚀速度与相对湿度的关系(大气中含0.01%so2)暴露55天的结果305060809099相对湿度逐渐增大(到99%)空气中杂技对抛光钢试样大气腐蚀速度的影响1208040E烟尘颗粒+0.01%SO2D硫铵颗粒+0.01%SO2C含0.01%SO2无颗粒B含硫铵颗盐粒无SO2A纯净空气大气腐蚀90.067.545.022.50-22.5-45.0-67.5-90.0-112.5124816重量变化mgSO2对钢铁大气腐蚀的影响(根据Evans)曲线A:铁暴露到不含SO2的湿空气中;曲线B:暴露到含SO2的空气中曲线C，在含SO2的湿空气中暴露4小时后移入不含SO2的湿空气中.时间(天)第一阶段4小时124816时间(天)22232BAAB222222222CDDC•防锈(1)各种金属耐大气腐蚀性能普通碳钢在潮湿和污染大气中很容易生锈，须使用油漆涂料之类的覆盖层进行保护。含铜、磷、铬、镍的低合金钢有良好的耐大气腐蚀性能。当大气污染严重时，不含钼的奥氏体不锈钢也会产生锈点。有色金属铝、铜、铅、锌有良好耐大气腐蚀性能，但当存在污染物质时，腐蚀速度增大。大气腐蚀部分金属大气腐蚀速度（mm/y)大气腐蚀金属工业大气海洋大气农村大气铝铜铅锡镍锌锌(99.9%)碳钢(99.9%)低合金钢(4Cu,1.1Cr,0.16P)0.8131.190.4321.193.255.134.909.651.020.711.320.4062.310.1021.601.75——0.02540.5840.4830.4570.1520.8641.07——•涂料和金属镀层(1)对于机器设备和管道的外表面，构件和建筑物，最常用的防锈方法是油漆涂料覆盖层。化工大气防腐蚀涂料包括各色环氧树脂漆，各种过氯乙烯漆，各色乙烯漆，有机硅耐热漆，铝粉漆，各色聚氨酯漆等。(2)金属镀层用得较多的是钢管和部件镀锌、镀镉和镀铬。•金属制品在加工，贮存和运输中的防锈(1)降低空气湿度(2)暂时性防锈层“暂时”并不是指时间短，而是指金属制品在连续加工或使用时可以顺利地将防锈材料除去。防锈水防锈切削液防锈油和防锈脂防锈塑料气相缓蚀剂(简记为VPI或VCI)大气腐蚀几种防锈油(脂)的两种防锈纸的配方及使用配方及使用大气腐蚀名称配方使用01号气相防锈纸尿素30%苯甲酸钠20%亚硝酸钠30%蒸馏水160%涂布量7~10g/m2用于钢铁，发兰件，铝合金的防锈封存9号气相防锈纸苯并三氮唑50%乌各托品33%苯甲酸铵17%蒸馏水300%涂布量7~10g/m2用于钢铁,铜及铜合金，铝合金镀锌，镀隔件名称配方使用903(FZ-4)防锈脂石油磺酸钡10%司本804.5%工业凡士林85.5%轴承，工具机械室内封存防锈（热涂型）特封-24薄层防锈油苯并三氮唑0.3%石油磺酸钡5%环烷酸锌1%羊毛脂2%磷酸三丁酯2%22号透平油余量钢，铜及其合金，镀锌层，镀隔层法兰件，硅钢片，铝等组合件组成的仪器，仪表的库存及长期封存。662-B防锈油石油磺酸钡2%氧化石油脂1%苯甲酸丁酯1%变压器油余量精密仪表轴承的防锈封存2.土壤腐蚀与地下金属管道保护•土壤的腐蚀性(1)土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，故土壤是一种腐蚀性电解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。(2)土壤中含有多种无机物质和有机物质，这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性，又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的，因此长距离的地下管道和大尺寸的地下设施，其各个部位接触的土壤的结构和性质可能有较大的变化。土壤中还有大量微生物，对金属腐蚀能起加速作用。土壤腐蚀I:土壤孔隙中氧的对流迁移区II:土壤孔隙中氧的扩散迁移区III：液膜或腐蚀产物中氧的扩散迁移区氧在土壤中向被腐蚀金属表面的输送过程根据ToMamoB引自TeopuP369土壤O²大气金属(3)影响土壤腐蚀性的因素主要因素有：含水量、含盐量、pH值、电阻率。•土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。•氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。•土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。•pH值愈低，土壤腐蚀性愈强。土壤腐蚀土壤腐蚀性划分标准极强强中弱级弱土壤电阻率(m)1010-2525-5050-100100土壤含盐量％(%)0.750.75-0.10.1-0.050.05-0.010.01土壤含水量(%)12-2512-1025-3010-730-407-3403土壤PH值电解失重(g/₂₄hr)4.564.5-5.56-35.5-73-27-8.52-18.51按电阻率(m)判断土壤腐蚀性低较低中等较高高特高中国5020-5020英国3520-3015美国5020-5010-207-107原苏联10020-10010-205-105日本6045-6020-4520法国10050-10020-5020•土壤腐蚀的特点(1)阴极过程主要是氧分子还原反应。土壤的结构和湿度(透气性)决定了氧的输送速度，从而决定了阴极反应速度。(2)阳极过程在中性和碱性土壤中，腐蚀产物与土壤粘结在一起，形成一种紧密层，使阳极过程受到阻碍，对金属起到保护作用。(3)控制特征•对微电池腐蚀，在干燥疏松土壤中，氧容易透过，阴极反应容易进行；而铁可以转变为钝态，阳极反应阻力大，故腐蚀属于阳极极化控制。•在大多数土壤中，氧的输送都比较困难，阴极反应阻力大，腐蚀属阴极极化控制。•大电池腐蚀情况，如果阴极区与阳极区距离较远，欧姆电阻有重要作用，腐蚀过程属于阴极极化和欧姆电阻混合控制。不同土壤条件下腐蚀过程过程控制征（I）大多数土壤中微电池腐蚀（阴极控制）（II）疏松干燥土壤中微电池腐蚀（阳极控制）（III）长距离大电池腐蚀（阴极和欧姆电阻控制）根据ToMamoB引自TeopuP372土壤腐蚀(I)(II)(IIIIIIcaaaccIRlEEE•土壤腐蚀的几种常见形式（1）全面腐蚀对于小的金属制品，全面腐蚀是主要的腐蚀形态。对于大型设备，长距离管道，以大电池造成的局部腐蚀为主。（2）氧浓差电池腐蚀氧区和贫氧区接触的金属部分组成氧浓差电池，富氧区接触的金属表面为阴极；贫氧区接触的金属表面为阳极。土壤腐蚀钢铁发生氧浓差电池腐蚀的极化图富氧区阳极极化曲线较陡，Pa较大，因而贫区腐蚀电流较大粘土(贫氧区)砂土(富氧区)阴极阳极埋地钢管地面构成氧浓差电池的一种情况（3）杂散电流腐蚀杂散电流是指直流电源设备漏电进入土壤产生的电流，对地下管道、贮罐、电缆等金属设施，造成严重的腐蚀破坏。杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区，金属发生氧化反应转变为离子进入土壤。腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比，可以按法拉弟电解定律进行估算。土壤腐蚀从电车轨道漏出的杂散电流对土壤中钢