金属腐蚀与防护简谈
2019-07-16 09:42:06
作者：本网整理 来源：设备管理与防腐
本文简要阐明了为什么金属腐蚀主要以电化学腐蚀的形式出现，剖析了腐蚀过程电化学动力学参数的物理意义，以及金属腐蚀的防护原理、常用的腐蚀防护方法乃至腐蚀过程的一些特殊应用。
金属单质及其合金是应用最为广泛和最重要的工程材料。广义的金属腐蚀是指材料与环境间发生反应而导致材料的破坏及其性能恶化，而狭义的腐蚀则指金属与环境介质间发生的物理-化学作用而使金属性能发生变化，并导致金属、环境及其构成体系的功能受到损伤的现象。
一为什么电化学腐蚀是金属腐蚀主要
化学腐蚀是指金属表面与非导电液体或气体等介质接触时两相之间发生的氧化还原反应，其特点是金属直接将电子传递给氧化剂，没有电流产生，而且腐蚀产物常常会阻碍化学腐蚀的继续进行。电化学腐蚀则不然，由于腐蚀介质是导电的，此时发生的氧化/还原反应可以选择在金属表面活化能最低的部位异地进行，这就远比化学腐蚀容易得多。
二金属电化学腐蚀
01 腐蚀原电池
电化学腐蚀的显着特征是在被腐蚀的金属表面形成了腐蚀原电池。 由于这一原电池的正极（ 阴极） 和负极（ 阳极） 出现在同一块被腐蚀金属的表面，故实际上它是一种特殊的短路原电池，充其量只会导致金属材料的溶解、破坏，而不可能对外界作任何有用功，即腐蚀反应释放出来的化学能全部以热能的形式耗散掉。
02 去极化剂
简单地说，电化学腐蚀发生的必要条件是溶液中存在着可以将金属氧化成金属离子或化合物的氧化性物质。 这种物质在腐蚀电极的阴极部位接受电子，消除了阴极极化，使金属溶解速率加快，通常称之去极化剂。
03 腐蚀电位与腐蚀电流
与寻常的电极反应不同，正在被腐蚀的某金属（ M） 表面至少存在一对氧化还原反应。 假若阳极反应是金属M 的溶解（ 氧化） ，阴极反应则是去极化剂（ D） 的还原，如下所示：
阳极：
阴极：
（2）由于阴极区和阳极区短路，此时应当有净电流流经其间，阳、阴极两个反应都产生极化而偏离各自的平衡状态。 当阳极反应与阴极反应以等当量的速率同时进行时，就会出现二者的耦合，耦合条件是E平2 ＞ E平1 . 通常将相互耦合的反应称为共轭反应，整个体系称为共轭体系。 腐蚀体系是一个典型的共轭体系，其特点是电极表面虽然没有新的电荷积累，但表面依然存在物质变化。
三腐蚀防护措施
金属的腐蚀的全过程包括3 个子过程： 1） 阳极过程，即金属溶解； 2） 阴极过程，即去极化剂接受阳极流过来的电子； 3） 电流的流动： 在金属内部以电子为载体，电流由阴极流向阳极。而在与其相接触的电解质中则以带电粒子为载体，由阳极流向阴极，二者构成一个电流回路。
01 常用的腐蚀防护技术
电化学保护： 分为阴极保护法和阳极保护法。 阴极保护法是最常用的保护方法，又分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护。其原理是向被保护金属补充大量的电子，使其产生阴极极化，以消除局部的阳极溶解。阳极保护法的原理是利用外加阳极极化电流使金属处于稳定的钝态。
研制易钝化的新合金材料：制备方法差别较大，但其宗旨是改变金属内部结构，提高材料本身的耐蚀性。
缓蚀剂保护： 在封闭的腐蚀环境中添加少量能够降低腐蚀速率的物质（ 缓蚀剂） 以阻止或减缓金属腐蚀。
金属表面处理： 于金属接触环境使用之前先经表面预处理，用以提高材料的耐腐蚀能力。
金属表面覆盖层： 包括非金属涂层和金属保护层，其目的是将金属基体与腐蚀介质隔离开，阻止去极化剂氧化金属的作用，达到防腐蚀效果。
02 腐蚀防护实例
金属腐蚀与防护是一个历史悠久但又充满生机活力的研究领域。西气东输管线防腐蚀为例，该管线既要穿过较强的腐蚀区（ 如沼泽区、盐渍土区） ，又要通过高电阻率地方（ 砂石区、石方区），还要经过大城市、工业基地等土壤腐蚀环境差别巨大的区域。另外，输气管线有多处要穿越河流、公路，这些特殊的环境对腐蚀保护都有专门的要求。由于管输介质先前已经作过处理，其腐蚀性不强，因此可在管道内壁喷涂防腐涂层（ 如环氧树脂） 防止内腐蚀，同时减少输送时的摩擦阻力。管道外壁的防护是重点，主要采用外涂防腐涂层与阴极保护相结合的联合保护方式，并根据不同的区域环境因地制宜地设计不同的保护方案。其中，防腐涂层包括单层结构的环氧粉末涂层和三层结构的聚乙烯防腐层（ 底层为熔结环氧粉末、中间层为胶粘剂、外层为聚乙烯）。环氧粉末主要用于环境腐蚀性相对较弱、非石方区等地域，三层结构防腐层主要用于环境腐蚀性强的沼泽、水塘、盐油区以及机械破坏严重的石方区和安全性要求高的人口稠密区等。阴极保护方案根据环境及选择的防腐层，采取外加电流的阴极保护方式，预计全线大约要建50余座阴极保护站，同时在阴极保护电源的选用中注重与遥测系统之相匹配。
四腐蚀过程的特殊应用
01 纳米结构材料之制备
金属腐蚀固然危害巨大，但某些腐蚀过程却也被巧妙地予以利用。早在1924 年，美国工程师雷尼就根据选择性腐蚀原理成功地从镍-铝合金中除去铝制备了雷尼镍催化剂。
近年来研究者已经将选择性腐蚀法发展成为一种制备纳米多孔材料的独特手段—去合金化方法，并相继制备出结构均匀、孔径可调的纳米多孔金、多孔铂和多孔钯等多孔金属材料。
02 环境污染物的处理
利用零价铁特别是纳米级铁粉处理环境污染物已成为国内外的研究热点。许多氧化性环境污染物，如氯代有机物、硝基苯等，都可以充当去极化剂加剧铁的腐蚀，而其自身也同时发生电化学降解，生成低毒甚至无毒的有机物。
五总结
腐蚀给国民经济和社会生活造成严重的危害，它使人们辛苦冶炼和加工制作的金属材料变为无用的、不能回收的散碎废物。深入研究金属腐蚀机理，推广应用腐蚀防护技术可以将腐蚀造成的损失挽回30%～40%。腐蚀并非一无是处，也有它可资利用的一面。比如在纳米结构材料的制备以及环境保护方面，腐蚀也有着许多可资的应用价值。随着人们对腐蚀过程认识的深入，在开发新腐蚀防护技术的同时，也可以利用金属腐蚀的原理为生产服务，发展基于腐蚀的加工技术。
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