金屬材料的腐蝕與防護

張秀荷 楊蓮慧 王海濤 張志春

摘 要：本文中結合金屬腐蝕機理，對海洋腐蝕防護措施和井下腐蝕的主要預防進行了分析，以供參考。

關鍵詞：金屬材料；腐蝕；海洋腐蝕；井下腐蝕；防護措施

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

一、 金屬腐蝕的機理

按照金屬腐蝕的機理?？蓪⒔饘俑g大概分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種?；瘜W腐蝕就是金屬與接觸到的物質直接發生氧化還原反應，而被氧化損耗的過程；電化學腐蝕就是鐵和氧形成兩個電極，組成腐蝕原電池，因為鐵的電極電位總比氧的電極電位低，所以鐵是陽極。遭到的腐蝕不論是化學腐蝕，還是電化學腐蝕，金屬腐蝕實質都是金屬原子已被氧化，從而轉化成金屬陽離子的過程。

二、金屬腐蝕的發生

海洋腐蝕是金屬與周圍海洋環境發生化學或者電化學反應而產生的一種破壞性腐蝕。很多金屬元素如銅、鐵、鎂等在自然界都是以化合物的形式存在，也就是它們的最穩定態---氧化態存在。人們通過冶煉時使這些元素吸收并儲存一定能量后變為中性金屬態，相對于氧化態而言，這是種能量較高的不穩定態，在合適的條件下便自發的便會為穩定的氧化態。中性金屬態到氧化態的轉變的吉布斯自由能小于零，可自發進行；從熱力學上來講，海洋腐蝕上由于金屬與其周圍介質構成一個熱力學不穩定的體系，此體系具有自發的從這種不穩定狀態趨向穩定狀態的傾向。

三、金屬材料井下腐蝕的主要預防

在金屬表面覆蓋各種保護，把被保護金屬與腐蝕性介質隔開，是防止金屬腐蝕的有效方法。

（一）預防涂料重防腐

涂料重防腐是底漆、中間漆和面漆組成的油漆涂層體系進行防腐，其防腐原理主要是機械屏蔽，即油漆涂層將鋼鐵與腐蝕介質相隔離，以阻止和減緩腐蝕介質對鋼鐵的侵蝕，保護鋼鐵不受腐蝕。非

金屬油漆涂層隨時間的延長，環境的變化，有機物終究要老化，影響防腐性能。一般情況復合涂層可以對鋼設備進行中等年限的防護保護。涂料初次的涂裝之后，需要定期的刷面漆，對其進行相應的維護。如進行徹底維護時，需要對鋼鐵構件重新進行噴砂除銹，然后涂裝油漆。

（二） 預防熱浸鍍鋅防腐

熱浸鍍鋅防腐，是將經過酸洗除銹的鋼構件浸入480～520℃，高溫鋅熔池3～5min，使鋼鐵表面沾掛一層鋅液，經冷卻后形成鍍層。熱浸鍍鋅鍍層可對鋼鐵提供機械屏蔽于電化學保護的作用，涂層和鋼鐵表面的結合力比較好，但是鍍鋅涂層的厚度比較薄。鋅涂層一旦腐蝕后，其局部會漏出鋼鐵的基本構體。致使致涂層失效，所以，熱浸鍍鋅防腐耐腐蝕年限稍短，可提供鋼鐵中等年限的防腐保護。同時熱鍍鋅生產的工藝，其局限性比較大，對鋼井架和井筒裝備等一些大構件的應用比較困難，而對形狀復雜的鋼構件，因為其受到高溫的影響，會致使鋼構件變形，從而影響其最終的作用。

（三）預防電弧噴涂防腐

通過電弧噴涂的相關電源，兩根帶正和負電金屬絲材需要連續被送到電弧噴槍的端頭，在端部短路接觸時，所產生電弧熔化，熔融鋁高溫的液滴，會被壓縮空氣噴吹和霧化，以及噴涂至工件的表面，與基體所結合形成良好的電弧噴涂涂層。絲材被熔化的溫可達6000℃ 。因為電弧噴涂絲材熔化的溫度高，絲材熔化較均勻，無半熔化或者高塑性噴涂顆粒，噴涂粒子攜帶較大的熱能和動能撞擊，涂層與基體以較強的機械結合和微冶金結合。所以電弧噴鋁涂層和金屬基體具有優良的涂層結合力，在彎曲和沖擊或碰撞下，可保證保防腐涂層不脫落和不起皮，其結合牢固，防腐長久有效，這一點是其他任何表面防腐涂層無法達到的。電弧噴涂層防腐原理，是陰極保護與機械屏蔽的相結合。在腐蝕環境下，即使防腐涂層局部破損，也具有犧牲自身保護鋼鐵基體的效果。涂層(陽極)與鋼鐵基體(陰極)的面積比≥1。此外，電弧噴涂層的厚度可依照設計來進行施工，可達到較厚的厚度，使涂層的耐蝕壽命能夠延長。電弧噴涂防腐涂層，是由電弧噴涂涂層與有機封閉涂層相結合，其耐腐蝕的壽命不是二者之和，而是二者之和的1.5～2.3倍。合理設計涂層的厚度，其耐腐蝕的壽命也可以達到30a以上，30a以后的維護只需在電弧噴涂層上刷封閉涂料，沒必要重新噴涂，實現一次防腐，長久不腐。 但由于井下存在瓦斯的特殊性，電弧容易引起瓦斯爆炸，該技術難以在井下應用。

四、 金屬材料海洋腐蝕的防護

整個腐蝕反應過程, 包括四大步驟：一是去極化劑到達金屬表面的傳質過程。二是陽極反應過程。三是與陽極反應過程同時進行的去極化劑還原的陰極反應過程。四是腐蝕產物離開金屬表面或轉化為其他化合物的過程。

（一） 電化學保護

電化學保護分為陰極保護和陽極保護。陰極保護的原理如下：利用電化學原理，將被保護的金屬設備進行外加陰極極化降低或防止腐蝕；將被保護金屬進行外加陰極極化以減少或防止金屬腐蝕的方法叫做陰極保護法。陰極保護有包括外加電流陰極保護和犧牲陽極保護。外加電流法是將被保護的金屬與另一附加電極作為電解池的兩極，被保護金屬為陰極，這樣就使被保護金屬免受腐蝕。犧牲陽極保護法是將活潑金屬或其合金連在被保護的金屬上，形成一個原電池，這時活潑金屬作為電池的陽極而被腐蝕，基體金屬作為電池的陰極而受到保護。外加電流陰極保護所需保護電流是由直流電源(如蓄電池、直流發電機、整流器等)提供的；而犧牲陽極保護中所需保護電流是由犧牲陽極的溶解所提供的。為了有效地發揮保護作用，犧牲陽極的電位要足夠負，陽極極化率要小，特別是表面不能生成保護性的腐蝕產物膜，陽極溶解要均勻。

（二）金屬的磷化處理

鋼鐵制品去油、除銹后，放入特定組成的磷酸鹽溶液中浸泡，即

可在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜，這種過程叫做磷化

處理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，，在大氣中有較好的耐腐蝕性。膜是微孔結構，對油漆等的吸附能力強蝕。

（三） 覆蓋層保護

基底材料和覆層材料組成復合材料，可以充分發揮基底材料和覆層材料的優點，滿足耐蝕性，物理、機械和加工性能，以及經濟指標多方面的需要。覆蓋層的保護效果和使用壽命取決于三個方面的因素：覆層材料在使用環境中的耐蝕性、強度、塑性和耐磨性。覆層的均勻性、孔隙和缺陷。覆層與基體金屬的結合力。覆蓋層保護又分為金屬保護層、化學轉化膜、非金屬保護層。金屬保護層包括金屬鍍層、金屬襯里、雙金屬復合板；化學轉化膜包括陽極氧化、化學氧化、磷酸鹽處理、草酸鹽處理、鉻酸鹽處理 ；非金屬保護層包括油漆涂料、塑料涂覆、搪瓷、鋼襯玻璃、非金屬材料襯里、暫時性防銹層。聚氨脂涂料、乙烯基涂料等。防護涂層應有盡可能低的透水性、透氧性、透離子性,以及良好的工藝性如附著力、固化收縮率等。

五、金屬腐蝕防護的發展方向

腐蝕破壞遍及國民經濟和國防建設的各個部門。隨著工業的發展,廣泛地采用在高參數條件下的強化生產工藝。在這些生產工藝中,普遍涉及高溫、高壓、強腐蝕性介質、高負荷應力或高熱流、高質流等高參數條件下的強化操作,從而對材料保護提出愈來愈高的要求。如果不能切實可靠地解決腐蝕問題,它往往會引起突發的惡性事故,造成巨大的經濟損失,嚴重的社會后果和影響戰備。因此,腐蝕科學與保護技術的研究與發展,將直接影響到國民經濟與國防建設所有部門的安全保障、經濟效益和發展水平。

結束語：

綜上所述，金屬腐蝕可造成設備的全面損壞而報廢，也可使零件強度下降，還會產生腐蝕脆性等不良后果，是機械零件失效的重要形式之一。所以，對金屬腐蝕機理的研究，同時采取有效的防腐措施，確保其設備的使用年限，降低由于金屬材料腐蝕所造成的損失。

參考文獻：

[1]馮立超,賀毅強,喬斌,于雪梅. 金屬及合金在海洋環境中的腐蝕與防護[J]. 熱加工工藝,2013,24:13-17.

[2]黃赟. 保溫層下金屬材料的腐蝕與防護[J]. 石油化工腐蝕與防護,2013,03:15-17.

[3]張惠,王輝,馬永青,鄭贛鴻. 材料的腐蝕與防護實踐教學探索[J]. 化學工程與裝備,2012,01:177-178.

[4]朱潤芝,朱磊,呂文明. 金屬材料腐蝕及質量控制[J]. 科技致富向導,2012,23:410+419.