高中化学 第四章 第四节 金属的电化学腐蚀与防护素材 新人教版选修4

金属的电化学腐蚀与防护摘要： 本文论述了腐蚀的产生机理，从而探讨了防腐蚀的办法。文章介绍了金属腐蚀与腐蚀机理,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。 关键词：金属 腐蚀 防护金属腐蚀的分类： 根据金属腐蚀的反应机理，腐蚀可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀。 电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏；化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀是最常见、最普遍的腐蚀,因为只要环境的介质中有水存在,金属的腐蚀就会以电化学腐蚀的形式进行。金属在各种电解质溶液,比如大气、海水和土壤等介质中所发生的腐蚀都属于电化学腐蚀.。环境中引起金属腐蚀的物质主要是氧分子和氢离子,它们分别导致金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀,其中又以吸氧腐蚀最为普遍。腐蚀给人类社会带来的直接损失是巨大的。20世纪70年代前后，许多工业发达国家相继进行了比较系统的腐蚀调查工作，并发表了调查报告。结果显示，腐蚀的损蚀占全国GNP的1%到5%。这次调查是各国政府关注腐蚀的危害，也对腐蚀科学的发展起到了重要的推动作用。在此后的30年间，人们在不同程度上进行了金属的保护工作。在以后的不同时间各国又进行了不同程度的调查工作，不同时期的损失情况也是不同的。有资料记载，美国1975年的腐蚀损失为820亿美元，占国民经济总产值的4.9%；1995年为3000亿美元，占国民经济总产值的4.21%。这些数据只是与腐蚀有关的直接损失数据，间接损失数据有时是难以统计的，甚至是一个惊人的数字。 我国的金属腐蚀情况也是很严重的，特别是我国对金属腐蚀的保护工作与发达的工业国家相比还有一段距离。据2020年出版的中国腐蚀调查报告中分析，中国石油工业的金属腐蚀损失每年约100亿人民币，汽车工业的金属腐蚀损失约为300亿人民币，化学工业的金属腐蚀损失也约为300亿人民币，这些数字都属于直接损失。如该报告中调查某火电厂锅炉酸腐蚀脆爆的实例，累计损失约15亿千瓦时的电量，折合人民币3亿元，而由于缺少供电量所带来的间接损失还没有计算在内。所以说，金属腐蚀的损失是很严重的，必须予以高度的重视。 金属腐蚀在造成经济损失的同时，也造成了资源和能源的浪费，由于所报废的设备或构件有少部分是不能再生的，可以重新也冶炼再生的部分在冶炼过程中也会耗费大量的能源。目前世界上的资源和能源日益紧张，因此由腐蚀所带来的问题不仅仅只是一个经济损失的问题了。腐蚀对金属的破坏，有时也会引发灾难性的后果，此方面的例子太多了，所以对金属腐蚀的研究是利国利民的选择。由于世界各国对于腐蚀的危害有了深刻的认识，因此利用各种技术开展了金属腐蚀学的研究，经过几十年代努力已经取得了显著的成绩。金属防护的方法：改善金属的本质 根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。在金属表面形成保护层 在金属表面覆盖各种保护，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。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。该法就是使金属表面形成转化层和加上一层坚固的保护层，达到隔离大气保护金属的目的.如对金属表面实施电镀、化学镀以及氧化、磷化处理等，可使金属表面覆盖一层耐腐蚀的保护层;也可以对金属表面氮化。渗铅、渗铬等使金属表面合金化；再有，可采用涂料保护法，即对金属涂防锈材料如油漆，防锈油脂，塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷等.这些方法在国内外均广泛有效地被使用着。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。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，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。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。目前，随着科学的进步和发展，新的技术不断涌现，例如，热喷涂防腐技术的发展和应用更加丰富了防腐的方法。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。缝隙腐蚀的定义 金属部件在介质中因金属与金属间形成非常小的缝隙，使缝隙内介质处于直流状态，形成氧浓差电池而引起的局部腐蚀称为缝隙腐蚀。 缝隙腐蚀(crevice corrosion )常发生在腐蚀介质中的金属表面上，是在缝隙和其他隐蔽的区域内发生的一种局部腐蚀。孔穴、垫片接触面、搭接缝内、沉积物下、紧固件缝隙内是常发生缝隙腐蚀的地方。包括垫圈缠绕和金属重叠处的衬垫腐蚀；腐蚀产物或污泥的沉积或海生物附着而引起的沉积腐蚀；普通钢涂膜下见到的纤维状腐蚀；金属在电解质溶液溶液中因为氧的扩散在水面上形成三相界面上的强烈的水线腐蚀。 凡是依靠氧化膜或钝化层抗腐蚀的金属特别易发生这种腐蚀。在许多介质中，特别是含氧的介质中会发生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀也是一种电化学腐蚀。这是由于金属溶解入介质中后便放出电子，如果有氧，特别是有氯离子，将与电子在水溶液中形成氢氧根或氢离子、氯离子，使金属不断腐蚀。即使缝隙中的氧消耗完，但由于氯离子有快速迁移能力，得以使金属在缝隙中的氯化物浓度增加，即缝隙中加快了腐蚀。 造成缝隙腐蚀的狭缝或间隙的宽度必须足以使腐蚀介质进入并滞留其中所以缝隙腐蚀通常发生在0.025-0.1mm的缝隙中。而在那些宽的沟槽或宽的缝隙中，因腐蚀介质畅流而一般不发生缝隙腐蚀损伤。 几乎所有金属和合金都会发生缝隙腐蚀，但各种金属对缝隙腐蚀的敏感性不同，但以充气的含活性阴离子的中性介质最容易引起缝隙腐蚀：自钝化金属的敏感性较高，非自钝化金属（如碳钢）的敏感性较低，自钝化能力愈强愈敏感。奥氏体不锈钢是一种能耐多种苛刻介质腐蚀的优良合金，但是也会发生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀是一种重要的局部腐蚀形式 可形成恶性的腐蚀循环，对油气管道产生较大危害。缝隙腐蚀受到几何、环境和材料等多种因素的综合影响，是一个复杂的腐蚀形式。本文分析了缝隙腐蚀的机理和影响因素，并在此基础上给出了控制缝隙腐蚀的主要措施。电化学保护 研究金属腐蚀的目的是提出高效，价廉而易行的措施，避免或减缓金属的腐蚀。由于金属电化学腐蚀的机理复杂，形式多种多样，影响因素千差万别，在防腐实践中，人们研究了多种应对金属腐蚀的措施和方法，其中电化学保护，金属选材和结构设计，覆盖层保护和缓蚀剂是用的最多的几种。作为一种有效的防护措施，电化学保护方法广泛地应用于船舶，海洋工程，石油，化工等领域，是需要重点了解的方法之一。 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。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。寻找新的耐腐蚀替代品： 解决金属腐蚀问题的根本方法是研制开发新的耐腐蚀材料,如特种合金、新型陶瓷、复合材料等。比如实验室中常用铂作坩锅或惰性电极,防腐效果很好,但因其成本太高而不可能在工业上大规模使用。不锈钢则是便宜得多因而也用得较为普遍。钛也是一种很好的耐腐蚀金属。由爆炸焊接新技术制造出的一种钛钢复合材料,既不怕酸、碱、盐等的腐蚀,价格也较低。化工厂的反应罐、输液管道,用钛钢复合材料来替代不锈钢,使用寿命可大大延长。科学家研制成功的一种貌似玻璃的透明金属,称“金属玻璃”,它具有很高的抗张强度,还对外界酸碱的侵蚀显现出惊人的抵抗力。精密陶瓷,已开始在精密机械和化工领域取代金属材料和高分子材料。在宇航、核能等领域中,工程陶瓷可取代昂贵的耐蚀、耐热合金。随着科技的进步,新的耐腐蚀材料正层出不穷。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。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设备。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,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