金属材料腐蚀与防护机理研究述评

金属材料腐蚀与防护机理研究述评

聂兰正

山东中实易通集团有限公司 山东 济南 250003

摘要：金属材料是现代社会生产的关键材料之一，但其在使用中易受其他环境因素影响。例如，在机械加工中，金属材料易受不同程度的腐蚀，影响其正常使用。在正常使用中，金属材料在强度和刚度等方面表现良好，但由于腐蚀现象普遍，对整个系统有一定的不利影响。因此，如何防护金属的腐蚀更为重要，并且金属材料的防腐蚀也是延长设备使用寿命的重要途径。

关键词：金属材料；腐蚀机理；防护措施

目前，金属材料的腐蚀问题已波及到我国经济发展的各个领域，无论是在日常生活，还是在工农业经济生产中，只要涉及到材料，都会有不同程度的材料腐蚀问题。金属材料的腐蚀给我国的经济生产造成了巨大的损失，甚至引发了灾难性的事故，破坏了生态环境。因此，为减少金属腐蚀造成的经济损失及各种危害，研究其腐蚀机理和防护措施具有重要意义。

一、金属腐蚀机理

就腐蚀而言，它是指材料遭受环境作用使自身性能丧失或遭到破坏。这种定义不仅适用于金属材料，也可适用于塑料、陶瓷、混凝土和木材等无机材料。上述定义并不够明确，因此对金属材料有更为明确的定义，考虑到金属腐蚀的机理，将其定义为：金属与介质发生化学或电化学作用导致金属基体受到损坏或变质。

金属腐蚀的本质为金属的稳定性遭到破坏，金属腐蚀反应大多为电化学或化学作用，导致金属转变为离子状态，金属价态升高，从最初零价转为正离子态。例如Fe的腐蚀，从Fe转化为FeO，此时Fe为+2价。价态升高金属被氧化造成了腐蚀，由此可见，腐蚀的实质也可理解为金属被氧化，从而导致环境与金属构成的热力学系统不稳定。

二、金属材料腐蚀的危害

金属材料腐蚀不仅带来巨大的经济损失，还威胁着人们的生命财产安全，影响企业正常运营。首先，由于金属材料表面发生腐蚀现象，进而会导致金属材料的损耗、设备失效、能源消耗等，另外，还会增加防腐蚀所采取的涂层保护、电化学保护等相关费用。金属材料的腐蚀使大量的金属原材料变成了废铁，据不完全统计全世界每年因腐蚀所报废的钢铁约为其年产量的30％左右，金属材料的冶炼来源于矿产资源，其属于非可再生资源，所以金属材料腐蚀间接又影响着可持续发展战略。从相关数据来看，每过90s世界上就有1t钢铁因腐蚀而变为铁锈，然而，炼制1t钢铁所需消耗的煤炭资源则可供一个普通家庭三个月的取暖，可见金属腐蚀亦对自然资源造成了极大浪费。另外，金属材料表面腐蚀会引起工厂停产、产品质量下降、有毒物质泄露等危害，直接或间接威胁到人们的生命财产安全。

三、金属材料腐蚀原因

1、均匀腐蚀。均匀腐蚀的特征是腐蚀在整个金属表面上均匀发生。与其他形式的腐蚀相比，这种腐蚀危害最小。在设计中，可根据经验考虑腐蚀裕度或选择合适的防腐材料来确保设备的强度要求及使用寿命。在石化工厂中，根据介质的腐蚀性，设备的预期使用寿命，耐腐蚀性和结构材料的成本来测量适当的腐蚀速率及腐蚀裕度。

2、电化腐蚀。电化腐蚀的形成机理由金属材料与电解质溶液之间的作用而发生。一般来讲，主要由于压力容器在实际使用中或通过某种方式而形成阴极区域，进而形成电化学电池。另外，由于构成阴极区域形成因素多，如不同的金属材料、金属中的夹渣杂质、浓度差区域等，都是构成金属材料腐蚀的重要过程，所以，在针对金属材料设备进行设计中，对金属选材及设计结构要进行多角度考虑。

3、点蚀。点蚀是一种局部腐蚀，会在金属表面形成孔。当形成形式腐蚀时，可能导致材料渗透腐蚀速率的经验数据将不再用于估计设备的使用寿命。许多因素会导致形成点蚀，凹坑的存在会加速腐蚀，加工良好的表面可减少孔的腐蚀。

4、晶间腐蚀。晶间腐蚀发生位置在晶粒边界处，其腐蚀特点表现为延边缘向深处发展，进而对晶粒间连接槽进行破坏，降低金属材料力学性能，从金属材料表面来看，并不能发现其破坏的突然性，虽然对金属材料损失小，但对设备却造成极大损害。如针对金属材料焊接时温度达到500～800℃，其焊接晶粒边界处即会出现铬的碳化物，特别是在不锈钢焊接时，若未做出相关稳定化处理，变化出现晶间腐蚀现象。因此，为有效降低腐蚀所产生的影响，一般可采用焊接热后处理法或低碳不锈钢等方法处理。

四、金属材料的腐蚀防护措施

因金属材料腐蚀机理及影响腐蚀因素有所不同，因此在防腐技术上除要兼顾材料本身外，还要兼顾环境因素。《现代材料腐蚀与防护》一书中指出，防护技术要从两方面入手，首先，要改变材料成分、表面处理工艺和工程结构设计；其次，要改变周围环境，包括对介质的处理，使用缓蚀剂或能将环境隔离的涂层。

1、科学合理的选材。科学合理的选材是金属材料防腐措施中的基础措施。①应对材料的应用环境及潜在的腐蚀因素进行调研分析，根据分析结果选择。②建立模拟环境进行测试实验或进行数值模拟预测研究，根据模拟测试结果合理选用满足使用需求的材料。此外，应综合衡量材料的经济性和耐腐蚀性，选用不同层次的耐蚀合金，如304、316型等通用不锈钢、奥氏体不锈钢、钛、钛合金、锆材等。

2、改善金属材料构成。基于现代科技与制造工艺技术高速发展基础上，对不同性能的金属材料进行优化设计，或在原金属材料基础上适当添加其他材料或合金元素进行整体性能的提升，从而增强材料的抗腐蚀性，防止或减缓腐蚀，如在普通碳钢中加入镍铬等元素制成不锈钢能增强防腐蚀能力。

3、控制和改善腐蚀环境。通过控制及改善腐蚀环境对减缓和防止腐蚀现象的发生同样具有重要意义，例如减少腐蚀介质的浓度、除去介质中的氧、控制环境温湿度等因素都可减缓及防止金属的腐蚀。此外，也可向腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质(缓蚀剂)来减缓与防止腐蚀现象的发生。

4、电化学保护。电化学保护法是根据电化学原理在金属材料上采取相应的措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，进而防止或减缓材料腐蚀的发生。①通过外加电流，使要被保护的金属成为阴极，而另外一极则为阳极，从而使阴极金属被保护免于遭受腐蚀。②牺牲阳极保护法，即将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就能避免腐蚀。电化学保护法通常用于海水、河流中的船舶、设备或土壤中管道设备的腐蚀防护工作，常用的牺牲阳极材料有镁阳极、锌阳极、铝阳极等。

5、表面涂层防护。通过在金属表面涂装保护性覆盖层，隔绝金属与腐蚀介质之间直接接触，或利用涂装层对基本金属的电化学保护或缓蚀作用，从而达到防止金属腐蚀的目的。金属表面处理方法有很多种，保护性覆盖层的形成主要以金属镀层、非金属涂层为主，处理工艺主要有电镀、化学镀、机械镀、表面涂覆等工艺方法。其中电镀技术具有工艺简单、工艺参数易于控制、成本低等优点，在金属防腐中被广泛应用。

总之，金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的金属破坏叫做金属腐蚀，金属腐蚀现象十分普通，例如：钢铁件在潮湿空气中的生锈，钢铁在加热过程中产生的氧化皮膜等。金属遭受到腐蚀后，在外形、色泽、机械性能等方面都会发生变化，甚至不能使用，因此，了解金属腐蚀并采取防护措施是表面处理工程技术人员必须开展的重要工作之一。

参考文献：

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