自然环境之大气腐蚀(一）——金属大气腐蚀的影响因素
文/程学群 ·北京科技大学
本文简单介绍了金属在大气中受到腐蚀的原因,并列举了主要的影响因素。
地球表面上自然状态的空气称为大气。大气是组成复杂的混合物，从全球范围看，它的主要成分几乎是不变的,但其中的水汽含量是随着地域、季节、时间等条件而变化的。参与金属大气腐蚀过程的主要组分是氧和水汽,二氧化碳虽参与锌、铁等某些金属的腐蚀过程,形成碳酸盐腐蚀产物,但它的作用是很次要的。随着地区条件的不同大气有不同的特征,例如海洋大气中随着离海岸线距离的不同,就有不同的含盐量;工业大气中则含有S02、H2S、NH3和N02等杂质及各种悬浮颗粒和灰尘;而农村地区的大气都比较洁净。
大气腐蚀是人类最早发现的腐蚀类型,这是因为大部分金属及其制品是在大气环境下存放和使用的,例如桥梁、铁道、机械设备、车辆、电工产品以及武器装备等多数是在大气环境下使用,相比于其它类型的环境腐蚀,大气腐蚀是一种更加普遍的现象,无论在室内或室外,金属都会发生大气腐蚀(见图1 )。据统计因大气腐蚀而损失的金属约占总腐蚀量的一半以上。下面列出影响金属材料在大气环境中腐蚀性的一些主要因素。
图1金属在大气环境下的腐蚀状态
环境因素
湿度
当金属表面处在比其温度高的空气中,空气中含有的水蒸汽将以液体凝结于金属表面上,这种现象称为结露。金属表面能否结露与空气的湿度有关。一般讲空气中湿度越大,金属表面结露越容易,表面上的电解液膜存在的时间也越长,腐蚀速度也相应增加。各种金属都有一个腐蚀速度开始急剧增加的湿度范围，使金属大气腐蚀速度开始急剧增加的大气相对湿度称为临界湿度。钢铁、铜、镍、锌等金属的临界湿度约在50%～70%之间。可知如果相对湿度达60%以上时,钢的腐蚀量就急剧上升;而小于60%时腐蚀量很小。
温度
结露与温度有关,在临界湿度附近能否结露和气温变化有关,这意味着与其说是湿度不如说是温度的高低具有更大的影响。统计结果表明,在其它条件相同时,平均气温高地地区,大气腐蚀速度较大。气温剧烈变化也影响大气腐蚀。例如昼夜之间有温度变化,当夜间温度下降,由于金属表面温度低于大气温度,使大气中水蒸汽结露凝结在金属表面上,这样就加速了腐蚀。
降雨量
降雨量对室外大气腐蚀有很大影响,通常在下雨前后空气湿度上升,雨水沾湿金属表面,冲刷破坏腐蚀产物保护层,促进腐蚀。据估计钢在室外地大气腐蚀量有一半是由于雨雪的腐蚀作用造成的。可是雨水也有另一方面的作用,它能把原来附着在金属表面上的灰尘、盐粒或锈层中易溶于水的腐蚀性物质冲洗掉,这样在某种程度上减缓了腐蚀。在大气腐蚀试验时以30°倾斜角放置的金属试样,其向上的—面由于受到雨水直接淋洗,它的腐蚀量常比向下的一面要轻微—些。
大气成分
在大气中除基本组成外,由于地理环境不同,常含有其它杂质,如在工业区常混入如硫化物、氮化物、碳化物等,称为大气污染物质。其中有工厂废气排出的硫化物、氮化物、C0、C02等,也有来自自然界如海水的氯化钠以及其它固体颗粒,对金属大气腐蚀影响较大。
硫氧化物的影响:在硫氧化物中,S02是最常见也是影响最严重的污染物。石油、煤燃烧的废气中都含有大量的S02,由于冬季燃烧消耗比夏季多,S02的污染也更为明显,所以对腐蚀的影响也极严重。
海盐颗粒(NaCl)的影响:在海洋附近大气中,含有氯化钠的海水水滴在海浪水沫飞散时混入大气,所以大气中含有较多的C1-或NaCl颗粒。若NaCl颗粒落在金属表面上,它有吸湿作用,增大了表面液膜层的电导,氯离子本身又有很强的侵蚀性,因而使腐蚀变得严重。研究表明离海岸线距离越远,空气中海盐粒子减少,材料腐蚀速度也小。
固体尘粒的影响:大气中通常称为灰尘的固体微粒杂质也能加速腐蚀,它的组成十分复杂,除海盐粒外还包括碳和碳化物、硅酸盐、氮化物、铵盐等固体颗粒。在城市大气中的平均含量约为0.2～2mg/m3,而在强烈污染的工业大气中,甚至可达1000mg/ m3以上。
异常气候条件的影响:近年来酸性雨出现已成为自然环境保护中的一个重要问题。从大气腐蚀的角度来看,这也是不能忽视的问题。酸性雨是指pH值低达4.3～5.3范围的雨水,其起因主要是由于含有大量来自于汽车废气及燃料燃烧所生成的NOx、SOx等污染物质所致。在酸性雨的条件下,Zn、Cu、Pb等金属的耐蚀性大为降低。
材料因素
碳钢和低合金钢是应用最为广泛的材料。为了提高它在大气中的耐蚀性,通过合金化在普通碳钢的基础上加入Cr、Cu、P等合金元素,可以改变锈层的结构,生成一层具有保护性的锈层,改善了钢的耐大气腐蚀性能。
不锈钢在大气环境中通常是很耐蚀的。但含Cr量较低的Cr13型不锈钢在户外的大气环境中仍会发生锈蚀,且腐蚀形态常为点蚀。对18— 8型不锈钢或含Cr、Ni量更高的不锈钢,其腐蚀速度在0.1μm/a以下。
铝、铜及其合金在大气环境中通常具有较好的耐蚀性。在我国不同类型大气环境中10年的暴露试验结果表明,铝合金的平均腐蚀速度为:城市和乡村<0.5μm/a,海洋0.16～0.90μm/a,酸雨地区>0.75μm/a。铜合金在污染少的一般大气环境中,腐蚀速度约为1.0μm/a。在污染大气环境中,受酸雨及S02的影响,铜合金腐蚀速度约2～3μm/a。
从上面可以看到,各种因素的作用是错综复杂的,因而金属材料在各个具体大气环境条件下的腐蚀行为需要通过长期和的现场试验来确定。