金属腐蚀原理及防护简介

王苗伟

摘 要：金属材料在生活中用处很广，而它的腐蚀自发进行，常造成巨大损失。文章介绍了金属腐蚀的危害与腐蚀原理，详细阐述了几种常用的金属防腐手段及其作用原理，最后做出总结。

关键词：金属腐蚀;腐蚀原理;防护手段

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0084-02

材料是现代社会和科学发展的重要支柱，与我们的生活密切相关。随着经济发展和社会进步，各色各样的金属制品运用越来越多、无处不在。运用广泛的金属材料分黑色金属、有色金属两类。黑色金属包括铁、铬、锰及其合金;有色金属则是除铁、铬、锰之外的所有金属及合金。工业化给金属材料提供了广阔的舞台，同时也加速了金属的腐蚀，使得金属腐蚀与防护的工作倍受重视。每年全球因腐蚀造成的金属损失量约占金属总产量的30%[1]。2014年我国腐蚀总成本约占当年GDP的3.34%，总额超过2.1万亿元人民币。因此做好金属腐蚀与防护的工作很有必要。本文主要介绍金属腐蚀以及一些常用的防护手段。

1 金属腐蚀分类

金属腐蚀是材料受环境介质的化学作用或电化学作用而变质和破坏的现象，这是一个自发的过程。根据金属腐蚀机理可分为电化学腐蚀和化学腐蚀两种，其中绝大多数腐蚀均是发生电化学腐蚀。

1.1 电化学腐蚀

金属在环境中与电解质溶液接触，同金属中的杂质或不同种金属之间形成电位差，构成腐蚀原电池而引起金属腐蚀的现象称为电化学腐蚀。腐蚀历程可分为两个独立的并同时进行的阳极（发生氧化反应）和阴极（发生还原反应）过程，反应过程中有电流产生。其可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种。腐蚀电池反应如下[2]：

阳极：Fe→Fe2++2e

阴极：2H++2e→2H→H2（酸性介质中的析氢反应）

O2+4H++4e→2H2O或O2+2H2O+4e→4OH-（酸性或中性介质中的吸氧反应）

1.2 化学腐蚀

金属材料在干燥气体和非电解质溶液中发生纯化学作用而引起的腐蚀损伤称为化学腐蚀。反应历程是材料表面原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，反应过程无电流产生。例如在钢铁冶炼过程中，高温氧化性气体作用于钢铁表面而生成氧化铁及脱碳的腐蚀现象就是化学腐蚀。

2 金属腐蚀防护手段

金属材料种类的多样、腐蚀环境的复杂决定了金属腐蚀防护手段的多样。防护手段大致可分为金属表面处理、电化学保护和改善腐蚀环境三大类。

2.1 金属表面处理

金属表面处理主要是指通过物理、化学及电化学手段在金属基材表面建立一种隔离保护层，以阻隔电解质溶液与基材接触，达到减缓腐蚀的目的。

2.1.1 涂层防护

涂料涂层防腐具有悠久的历史。从最早的桐油、大漆到现在各类多样的防护涂料，涂料涂层随处可见。在金属基材表面涂覆一层涂层可以隔绝水与氧气接触基底，产生保护作用。涂层防腐具有经济、方便、有效、应用普遍的特点。涂料涂层除去防护金属免遭腐蚀的作用外，还有美观、标志以及一些特殊功能。涂料防护有施工及修复简便、不受待涂装设备大小形状限制等优点[3]。常用的涂料施工工艺有刷涂、辊涂、喷涂等，常用的漆有环氧树脂漆、聚氨酯漆、醇酸树脂漆、酚醛树脂漆、丙烯酸树脂漆等。

2.1.2 金属层防护

金属层防护主要是指在基材表面覆盖一层金属或合金，将保护对象同腐蚀介质隔离开，以达到对基材金属产生保护的目的。在基材表面覆盖十几微米的保护层，可以大大提高材料的耐腐蚀性，节省大量的资源。覆盖金属保护层的手段有电镀、化学镀、热浸镀、真空镀等[4]。从镀层与保护金属的电极电位区分，有阳极性镀层和阴极性镀层两种。其中阳极性镀层在受到破坏后依旧对基材有保护作用，而阴极性镀层受到破坏后则会加速基材腐蚀。

2.1.3 阳极氧化处理

外加电源并将金属材料与电源正极连接，在外加电流和相应电解质溶液的共同作用下，金属表面生成一层氧化膜的过程叫阳极氧化。阳极氧化工艺主要运用于铝、镁、钛及其合金。这些金属表面自身会生成一种薄的氧化膜，但是天然氧化膜层的各项性能都较弱[5]。通过阳极氧化处理后，表面生成的几微米至几百微米的氧化膜更致密，耐蚀性、耐磨性及装饰性等性能均有很大的提高。

2.1.4 氧化处理

氧化处理是化学表面处理的一种常用手段，在强氧化剂的作用下，钢铁件表面生成一微米左右厚的保护性氧化膜以隔绝腐蚀介质。氧化膜的颜色一般呈黑色或蓝黑色，因此氧化处理也称作发蓝处理。这种氧化膜膜层薄且有较好润滑性，不影响零件精密度，故发蓝常用于精密仪器、仪表、武器等防护和装饰处理。

2.1.5 磷化处理

铁、锌等金属及其合金在酸性磷酸盐溶液中浸泡，在金属表面发生化学和电化学反应并生成磷酸盐化学膜的过程是磷化处理，生成的磷酸盐化学膜称为磷化膜[6]。磷化是常用的金属前处理技术，生成的磷化膜能给基体提供保护，隔绝腐蚀介质;提高涂层漆膜对基材的附着力，延长使用寿命。

2.1.6 合金化处理

合金化处理是通过往金属中掺杂其他元素（碳、镍、锰等），以改善耐蚀性、耐磨性等性能的技术。例如对钢铁做渗碳渗氮处理，使碳氮元素进入钢材表面层，可大大提高钢铁硬度。不锈钢就是在铁的冶炼过程中加入镍、铬、碳等元素而形成的特殊钢材，其耐腐蚀性较一般钢材有很大提高，并有良好的力学性能。

2.2 电化学保护法

电化学保护法是运用电化学原理对金属材料采取措施，使其充当阴极或钝化，达到减缓腐蚀的目的。其可分为牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法以及阳极保护法三种。牺牲阳极保护法是在基材表面连接电位更低的金属或合金，后者在电解质溶液中充当阳极，基材则被保护成为阴极。例如在舰船底部每隔一段距离焊上锌块，以减缓铁基船底在海水中的腐蚀。外加电流的阴极保护法是通过引入外电源，电源负极与被保护基材相接，使得基材成为阴极而减缓腐蚀。一些埋地石油管道、接地电网等常用此方法防腐。与外加电流的阴极保护法不同，阳极保护法则是将金属接外电源的正极，使基材电位达到较正的值，而后在金属表面生成氧化膜，进而保护金属降低腐蚀。阳极保护法适用于易钝化的体系，一般用在氧化性强的介质中。

2.3 改善腐蚀环境

改善金属材料所处的腐蚀环境对降低腐蚀速度很有必要。常用的方法有添加缓蚀剂，通过在金属所处环境中加入缓蚀物质可以有效降低其腐蚀速度。缓释剂的用量很少，一般在1%以下，但缓释效果却十分明显，因此缓蚀剂防腐被大量运用于石油、化工、运输、文物保护等产业[7]。此外，在埋地管道周围填充干燥的砂石以避免管道直接与土壤接触，这也是改善腐蚀环境的一种手段。

3 结语

不管在生活中，亦或是在工业生产里，金属腐蚀及防护的工作都有着十分重要的意义。金属材料的防腐手段多种多样，针对不同的材料、不同的腐蚀条件需要使用合适的防腐技术。由于腐蚀条件的复杂，同一种材料往往需要多种防护手段相结合，这样才能更好地保护材料，延长使用寿命。另外，设备在生产之前进行合理的选材和结构设计，也是提前预防或避免腐蚀的重要手段。最后，研究开发更优异的耐蚀材料和防护手段是未来的发展方向，需要我们共同的努力。

参考文献

[1] 葛红花，汪洋，周国定，等.普及金属腐蚀与防护知识重要性的研究[J].上海电力学院学报，2007，23（1）：61-64，74.

[2] 陶琦，李芬芳，邢健敏.金屬腐蚀及其防护措施的研究进展[J].湖南有色金属，2007， 23（2）：43-46.

[3] 郭清泉，陈焕钦.金属腐蚀与涂层防护[J].合成材料老化与应用，2003，32（4）：36-39.

[4] 李冬梅.浅谈金属腐蚀与防护方式[J].全面腐蚀控制，2018，32（3）：27-28.

[5] 李明祥，邹玉洁，孙宝龙，等.铝合金阳极氧化技术发展[J].电镀与精饰，2014，36（8）：41-46.

[6] 詹华露，李广学，刘万青，等.磷化处理技术现状及发展方向[J].安徽化工，2013，39（2）： 12-15.

[7] 马厚义，崔聪颖，陈婷.金属腐蚀与防护简谈[J].电化学，2011，17（3）：288-291.