2012-2013金属材料的腐蚀与防护.doc

内蒙古师范大学2012 -2013学年论文论文题目:金属材料的腐蚀与防护 院 系 化学与环境科学学院 专 业 化学教育 授 课 语 种 蒙古语 学 生 姓 名 雅茹 学 号 20112102717 指导教师姓名 白音孟和 2013 年 10月 1 日目 录摘 要1关键词 11 金属材料的腐蚀机理11.1 金属腐蚀的分类11.2 金属腐蚀的发生12 金属防护的方法22.1 改善金属的环境22.2.1 金属的磷化处理22.2.2 金属的氧化处理22.2.3 非金属涂层22.2.4 金属保护层32.3 电化学保护法32.4 缓蚀剂法43 金属腐蚀的危害44 结束语5参考文献5Abtract6Key words6全文共 7 页 5389 字金属材料的腐蚀与防护化学与环境科学学院 化学教育2011蒙班 雅茹 20112102717指导老师 白音孟和 教授摘 要 本文论述了腐蚀的产生机理，从而探讨了防腐蚀的办法。详细综述了形成保护层、电化学保护法、缓蚀剂法等几种常见腐蚀防护方法的原理以及在金属腐蚀与防腐中的应用和研究进展。介绍了金属腐蚀的危害和分类，对金属腐蚀防护的方法和重要性进行了详细的阐述。关键词 金属材料;腐蚀;防护危害 金属腐蚀问题有很多解决方法，随着科技进步，越来越多的金属防护方法面世，这些方法各有千秋，也有不足。钢铁生锈、铜器泛绿、银具变黑等都是材料(通常是指金属)及其结构物，制件与其所处环境介质之间的化学反应或电化学反应所引起的破坏或变质。这类破坏或变质被称之为材料的腐蚀。腐蚀科学则是一门涉及化学、物理、冶金学、表面科学、力学、机械学和生物学等多学科的应用科学。金属的腐蚀严重破坏了国民经济和国防建设，研究金属的腐蚀这门科学对于提高国民经济和加强国防建设都有重要的意义。1 金属材料的腐蚀机理1.1 金属腐蚀的分类 按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程1。1.2 金属腐蚀的发生自然界中只有极少数金属（例如金、铂等）能以游离状态存在，而大多数金属都需要从它们的矿石中用不同的能量冶炼出来。因此，从热力学观点来看，金属的腐蚀是很自然的事。金属受周围介质的化学及电化学作用而被破坏，这种现象叫做金属的腐蚀。由于腐蚀导致的金属破坏都从表面开始，而破坏的程度，一般来说也是表面最大。在液态和固态电解质中腐蚀过程是电化学过程。因此，腐蚀能否进行取决于金属能否离子化，而金属离子化的趋势可以用电极电位（E）表示。 金属在电解质中的腐蚀是一种电化学变化2，它的进行依照法拉第定律及欧姆定律,W=（EcEa）te/(96500AR) 式中，e为常数，如粗略地认为R不变时，则腐蚀速率（W/t）与（EcEa）成正比，而与A成反比。（EcEa）因极化关系有所变化，因此腐蚀率也会随时间变化；阳极面积（A）较小时，腐蚀率将会随着提高。金属腐蚀时，阳极释放电子的阳极过程和阴极获得电子的阴极过程是在同一金属表面进行的。 一般腐蚀电极由四个必须的部分组成：1必须有一个阳极 2必须有一个阴极 3必须有一个连接阳极和阴极的导电通路。(通常这可能是管道自身) 4阳极和阴极必须浸入导电的电解质中。(通常是潮湿的土壤)2 金属防护的方法2.1 改善金属的环境在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法3。改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质(称缓蚀剂)来减少和防止金属腐蚀。2.2.1 金属的磷化处理钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为5-20m，在大气中有较好的耐腐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。2.2.2 金属的氧化处理将钢铁制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加热处理4，其表面即可形成一层厚度约为0.5-1.5m的蓝色氧化膜(主要成分为Fe3O4)，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度，故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。2.2.3 非金属涂层用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂油漆，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等)喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁、色泽艳丽，兼具防腐蚀与装饰的双重功能。搪瓷是含SiO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。2.2.4 金属保护层它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金属是低熔点金属，如Zn、Sn、Pb和Al等。热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝，应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器；热镀铅主要用于化工防腐蚀和包覆电缆；热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化等。金属表面保护层的要求薄薄的一层涂料不可能起到绝对的屏蔽作用。因为高聚物都具有一定的透气性，其结极气孔比水和氧分子直径大，所以涂层很薄时，它们可以自由通过。为了提高涂层的抗渗性，除了选用透气性小的成膜物质和屏蔽性小的固体膜料，同时应增加涂覆层数，以使涂层达到一定厚度且致密无孔，达到涂层硬度高，耐磨。即使组成相同，在一层之内，干燥之后往往表面与内部并不完全相同，因此每层之间必须充分附着，形成均匀密合的整体。增强涂层与基体金属的附着力，可以长时间维持金属不受腐蚀。因此金属表面保护层要求:(1)涂层(镀层)致密、完整无孔，不透介质;(2)与基体金属结合牢固，附着力强;(3)硬度高，耐磨;(4)在金属表面分布均匀。2.3 电化学保护法近些年来，阴极保护法及其应用发展很快5。电化学保护是金属腐蚀防护的重要方法之一,其原理是利用外部电流使被腐蚀金属电位发生变化从而减缓或抑制金属腐蚀。将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护6。电化学保护可分为阳极保护和阴极保护两种方法。阳极保护是向金属表面通入足够的阳极电流,使金属发生阳极极化即电位变正并处于钝化状态,金属溶解大为减缓。阴极保护是向腐蚀金属表面通入足够的阴极电流,使金属发生阴极极化,即电位变负以阻止金属溶解。阴极保护根据电流来源不同分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。前者牺牲阳极法是将被保护金属与电位更负的牺牲阳极直接相连，构成电流回路，从而使金属发生阴极极化。此法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。后者外加电流法则是利用外加电源,将被保护金属与电源负极相连,通过辅助阳极构成电流回路,使金属发生阴极极化。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件和防止巨型设备(如贮油罐)以及石油管路的腐蚀。采用牺牲阳极法进行阴极保护时,保护效果好坏与牺牲阳极材料本身的性能有着直接关系。牺牲阳极材料必须具备以下条件：(1)电位负,极化小。牺牲阳极的电位一定要比被保护金属的电位更负,以保证被保护金属发生显著的阴极极化。同时,在工作过程中,牺牲阳极的电位变化要小,不能随着输出电流增加发生较大改变；(2)单位质量的阳极放出的电量大；(3)阳极腐蚀小、电流效率高,阳极溶解时产生的电流大部分用于被保护金属的阴极极化；(4)溶解均匀性良好；(5)价格低廉,来源广泛,加工方便。目前研制成功并被广泛用于钢铁设施阴极保护的牺牲阳极材料有3大类：镁阳极、锌阳极和铝阳极。2.4 缓蚀剂法缓蚀剂法是一种常用的防腐蚀措施,在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂就能和金属表面发生物理化学作用,从而显著降低金属材料的腐蚀。由于缓蚀剂在使用过程中无须专门设备,无须改变金属构件的性质,因而具有经济、适应性强等优点,广泛应用于酸洗冷却水系统、油田注水、金属制品的储运等工业过程中。缓蚀剂分为无机盐(如硅酸盐、正磷酸盐、亚硝酸盐、铬酸盐等)和有机物(一般是含N、S、O的化合物如胺类、吡啶类、硫脲类、甲醛、丙炔醇等)。缓蚀剂的作用是通过吸附与腐蚀产物生成沉淀而覆盖在金属电极表面形成保护膜,从而减缓电极过程的速度,达到缓蚀的目的。缓蚀剂也可分为阳极缓蚀剂和阴极缓蚀剂。阳极缓蚀剂是直接阻止阳极表面的金属进入溶液,或在金属表面上形成保护膜,使阳极免于腐蚀。如果加入缓蚀剂的量不足,阳极表面覆盖不完全,则导致阳极的电流密度增大而使腐蚀加快,故有时也将阳极缓蚀剂称为危险性缓蚀剂。阴极缓蚀剂主要抑制阴极过程的进行,增大阴极极化,有时也可在阴极上形成保护膜。阴极缓蚀剂则不具有“危险性”。随着社会进步和人类环保意识的增强,缓蚀剂的开发和运用越来越重视环境保护的要求。绿色化学及其技术将广泛应用于腐蚀防护领域。CIBA公司已开发出两种低毒有机涂层缓蚀剂Irgcor252和Irzcor53。3 金属腐蚀的危害金属腐蚀的危害首先在于腐蚀造成了巨大的经济损失。这种损失可分为直接损失和间接损失。直接损失包括材料的损耗、设备的失效、能源的消耗以及为防止腐蚀所采取的涂层保护、电化学保护、选用耐蚀材料等的费用。由于腐蚀,使大量有用材料变为废料,估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约为其年产量的30% ,造成地球上的有限资源日益枯竭. 全世界每90s就有1t钢被腐蚀成铁锈,而炼制1t钢所需的能源可供一个家庭使用3个月,因此,腐蚀造成了对自然资源的极大浪费。因腐蚀而造成的间接损失往往比直接损失更大,甚至难以估计。这些损失包括因腐蚀引起的停工停产,产品质量下降,大量有用有毒物质的泄漏、爆炸,以及大规模的环境污染等。一些腐蚀破坏事故还造成了人员伤亡,直接威胁着人民群众的生命安全。4 结束语腐蚀破坏遍及国民经济和国防建设的各个部门。随着工业的发展,广泛地采用在高参数条件下的强化生产工艺7。在这些生产工艺中,普遍涉及高温、高压、强腐蚀性介质、高负荷应力或高热流、高质流等高参数条件下的强化操作,从而对材料保护提出愈来愈高的要求。如果不能切实可靠地解决腐蚀问题,它往往会引起突发的恶性事故,造成巨大的经济损失,严重的社会后果和影响战备。腐蚀破坏不仅会使设备早期失效,而且往往会引起突发的恶性事故,造成巨大的经济损失,带来严重的社会后果,而腐蚀保护不仅是安全生产的需要,而且往往是建立某些新型工业,采用新工艺的先决条件。因此,腐蚀科学与保护技术的研究与发展,将直接影响到国民经济与国防建设所有部门的安全保障、经济效益和发展水平。随着我国科学技术日益发展，防止大气污染对金属的腐蚀方法必将会愈来愈多，效果也会愈来愈好，这就像百花园中盛开的鲜花一样愈来愈为众多的人所青睐。本文在写作过程中得到了白音孟和老师多次精心指导，在此表示感谢参考文献1 陆致琛.我国水工金属结构防腐方法简介J.广西水利水电,2002,26(10):18-22.2 AA巴巴科夫.不锈钢及其耐腐蚀性M.北京:中国工业出版社,1963:11-12.3 施利炳.金属的腐蚀与防护J.物理测试,广州市机电安装有限公司,2003(3):41-43.4 张承忠.金属的腐蚀与保护M.北京:冶金工业出版社,1985:88-90.5 赵应龙.金属腐蚀的运用J.腐蚀防护报.1986（8）：18-19.6 唐明华.油气管道阴极保护M.北京:石油工业出版社,1986:34-36.7 周静好.腐蚀与防护全书一防锈技术M.北京:化学工业出版社,1988:62-63.Metal Material Corrosion and Protection Chemistry and Environment Science College of Inner Mongolia NormalUniversity Chemistry Education Grade 20112102717 YaRu Advisor BaiYinMengHe professorAbtract：This discusses the mechanism of corrosion,thus anticorrosion measures are discussed.Form a protective layer are reviewed in detail,electrochemical protection,slow etch method the principle of several kinds of common corrosion protection meth