金属防腐技术研究

吴珏斐

（中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064）

在现阶段的各种工程建筑、家居用品、装修装饰等行业领域，金属材料被广泛应用，其具有加工性能良好、可用性高，导电性、强度、韧性及耐磨性好等方面的特点，在国民经济发展当中扮演着重要角色[1]。然而金属的内部结构元素决定了不同种类的金属在特定环境下会受到来自外界物体的腐蚀，进而加速其老化程度带来建筑物安全隐患，也造成巨大的经济损失，因此如何加强金属材质的防腐性已经成为了金属建材行业内部迫切需要解决的问题。

1 金属材料的腐蚀机制

金属材料的腐蚀指的是金属材质处于自然环境下由于周围各种化学元素物理元素对材质本身造成的破坏，腐蚀这一概念不仅存在于金属材料当中，还出现在塑料、陶瓷、人造材料当中。金属造成的腐蚀的过程首先可以通过热力学来解释，其次，金属的被腐蚀需要多长时间，在其被腐蚀之后，金属材料的寿命会有什么变化，腐蚀动力学可以解释这一问题。

一些典型的氧化物类金属，它们从矿石中被提取出来之后，从能量定义上看，其变成了高能量的物质状态，例如钢铁所对应的金属氧化物是氧化铁，铝对应的金属氧化物是氧化铝。而物理中的热力学原理一直强调的是物质在发展过程中主要追求的就是保证自身一直处于低能量的状态，于是当金属被提取出来处于高能量状态时，他们自身会通过各种方式趋近于低能量状态，在这一过程中就会形成氧化物或者以其他化合物的方式降低自身能量，而金属慢慢由高能量状态转化为低能量状态的过程就是腐蚀的过程[2]。对于一些普通的建筑工程材料来说，它们在近室温环境下放置时，在环境中有水的情况下会形成电化学性质的腐蚀，例如那些地下管道中还有碳钢和低合金铜的材料，由于他们所处的环境当中有潮湿的土壤，这种环境形成了金属材料腐蚀的电解质环境，这类材料腐蚀的过程主要是金属失去自身电子氧化作用的过程，这些失去的电子会被材料所接触到的氧和水形成的还原反应消耗掉。

金属的氧化反应在本质上是一个阳极反应的过程，而还原反应则是一个阴极反应的过程。这两个化学反应是金属材料腐蚀过程中必不可少的，其中氧化反应会造成金属材料本身物质的实际损失，然而还原反应是通过消耗氧化反应产生之后释放出来的电子来进行的。由于氧化反应需要维持电荷的中性，不依托于氧化反应的还原反应会在氧化反应时在金属与电解质之间形成大量的负电荷而使得整个腐蚀过程中止[3]。氧化反应和还原反应的反应过程也被称为半电池反应过程，它们可以同时在金属的某一部分发生或分开在金属的各部分发生，当这些电化学反应分开进行的时候，整个腐蚀过程被称为差异性腐蚀，产生氧化的点被称为金属材料的阳极或者阳极区。在发生反应的这片区域，金属离子会离开金属表面，正电荷会从金属材质表面流到电解质当中，然后该区域的电流到达电解质的另一端后，这一端留存的氧气、水以及其他物质被还原，因此这一段也被称为阴极或者阴极区域。此外，能够产生腐蚀的电极必须由四个部分组成，首先是发生氧化反应的阳极，其次是发生还原反应的阴极，此外，必须存在一个能够连接阳极和阴极的电流导向通路，这一通路通常是由金属材质本身组成，最后，发生还原和氧化反应的阳极和阴极必须能够形成进入到导电的电解质当中的环境，这一环境通常指的是潮湿的周边环境，例如土壤中的管道腐蚀[4]。而这些地下腐蚀通常是由不同类型的差异腐蚀电池形成的，主要类型包括了由于管道的不同部分暴露于不同区域，土壤中的氧气含量的不同形成的冲击差异电池。这时管道表面的性质或者不同区域土壤的化学性质不同而产生腐蚀，此外还可能由于管道当中包含两种不同的金属从而在本身的电极上成对，且多放置于腐蚀性的环境当中，从而形成电偶腐蚀[5]。

2 不同种类金属的防腐技术

要想使金属材质拥有更长的使用寿命，就必须要做好金属的防腐技术，现阶段行业内部针对不同类型金属的防腐技术主要有以下几种。

2.1 铝合金防腐技术

（1）对金属材质内部结构的改变：例如通过各种金属内部结构的不同以及耐腐蚀性的程度不同，将它们进行融合制造出耐腐蚀性强度高的合金，常见的合金有在钢铁当中加入铬、镍等制成不锈钢。

（2）在铝合金表面形成保护层：通过在铝合金表面覆盖保护层，可以使铝合金与空气当中的氧化物或者与环境当中的腐蚀介质相隔离，从而达到防腐蚀的效果。例如可以在铝合金表面涂上机油、凡士林、油漆来与腐蚀性物质隔绝，或者通过在铝合金表面镀上搪瓷、塑料等耐腐蚀程度较高的非金属材料来抵抗腐蚀。此外还可以通过电镀、热镀、喷镀等工艺，将锌、锡、铬、镍等抗腐蚀性强的金属喷在铝合金表面，这些金属材质可以与外部环境形成氧化就要产生结构细密的氧化物膜，为金属阻挡来自水和空气的腐蚀。最后，也可以通过化学反应催化铝合金表面形成结构较为稳定的氧化膜，延缓期腐蚀过程，例如在一些机械零件当中，通过氧化使零件表面覆盖一层黑色的四氧化三铁防腐蚀薄膜。

（3）消除环境当中的腐蚀介质：也可以在铝合金存放的过程中通过消除环境当中的腐蚀介质，来抑制腐蚀的发生。例如可以通过维护的手段时常对铝合金进行检查，经常擦拭铝合金，或者将铝合金的存放空间中放入干燥剂，亦或是在铝合金所处的腐蚀介质当中加入能够减缓腐蚀的防腐剂。

2.2 镁合金防腐技术

（1）利用化学转化进行处理：现阶段对于镁合金的化学转化所用到的溶液主要有：铬酸盐系、有机酸系和锡酸盐系等。化学转化当中的磨多孔的结构在整个转化过程中表现出的吸附性优良，在对镁合金进行化学转化之后，这些溶液能够很好的改变镀镍层的结合力，进一步提高镁合金的耐腐蚀性。并且有机酸系列的化学转换产生的转化膜兼具腐蚀性保护和光学、电子学等特性，是现阶段铝合金防护手段当中最主要的技术之一。

（2）镁合金的阳极氧化技术：对铝合金进行阳极氧化可以得到更具耐腐蚀性的基层图层，并且使镁合金具有良好的结合力、电绝缘性、耐热冲击性，是现阶段行业当中最常用的耐腐蚀性技术之一。此外，近年来研究者们所开发出来的环保型氧化膜耐腐蚀性工艺相比传统的Dow17和HAE有了大幅度的提高，在环保型阳极氧化进行之后Al、Si可以均匀的分布在镁合金表面，产生的氧化膜更加细密和完整[5]。

（3）镁合金表面金属图层：由于镁合金是最难镀的金属，对其覆盖金属图层需要先用化学转化膜的方法将其浸入到新或者锰溶液当中，然后进行镀铜，之后再进行其他化学镀层处理，进一步增加其表面镀层的结合力。

（4）激光加工：激光处理技术又被称作激光退火技术，是通过激光在镁合金表面快速凝固成防腐涂层的技术手段。随着技术的不断发展，出现了一种新的激光表面合金技术，这种技术可以对于激光辐照源的溶膜使铝合金表面形成单层或多层的不同硬度的镀层，形成冶金结合的界面。在这一过程中由于Nd元素的存在，经过激光处理后的镁合金表面晶粒变得更加细腻，改善包层的密度和完整性，提升整体耐腐蚀性。

2.3 钢铁的防腐蚀技术

（1）油漆防腐技术：油漆防腐技术是通过将纯锌粉溶液、助剂组合形成富含锌的基底漆涂在钢铁表面，借助成膜物质在钢铁表面形成一层隔绝腐蚀介质的固化膜。

（2）热浸镀锌技术：浸镀锌技术是通过将待镀锌的钢铁零部件浸人溶融金属锌槽进行镀层，进而使钢铁部件的表面形成一层纯镀锌层，在钢铁部件次表面形成锌合金的镀层，综合对钢铁部件进行防腐蚀的保护。从其性能来讲，热镀锌的镀层较薄，只有30um到50um，即使是对一些大型部件的构成也仅有85um，但非常细腻，能够有效的阻隔钢铁部件周围腐蚀介质进入，良好的保护钢铁阴极。

（3）电弧喷涂防腐技术：电弧喷涂是通过运用专门的喷涂设备，将喷涂的金属丝在低电压和大电流作业下融化，而后给金属部件表面除锈，通过压缩空气将喷涂金属喷吹制钢铁部件上，形成一层电弧喷锌、喷铝的密闭涂层。电弧喷涂防腐技术能够有效保护钢铁的阳极，其密闭性能很好的阻隔腐蚀，并且电弧喷涂仿佛能使钢铁部件具有更高的结合力，是油漆防腐和热浸锌防腐无法相比的。在对电弧喷涂层进行相关实验时，这一技术表现出来的性能被金属防腐剂称之为“叠层钢板”，非常适合用于煤矿井当中的钢铁部件防腐处理。

3 结语

综上所述，为了应对金属防腐这一问题，近年来我国研究人员在金属防护方面也取得了较大的技术突破，但由于金属材质本身的结构特点，金属防腐的技术领域还有待进一步拓展。因此，在未来需要不断利用各种化学理论，利用大量的化学实验分析和测试各种防腐物质对于金属材料的防腐性，也要进一步发掘更多的既满足金属产品技术要求，又可以在不同环境下发挥作用的新型缓蚀剂，延长金属材料的使用寿命，使其在建筑领域更好的发挥作用。