金属材料的腐蚀与防护
腐蚀是指金属由于环境介质作用而导致的变质和破坏。
按腐蚀原理分类，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
一、化学腐蚀
金属的化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的变质和损坏的现象。化学腐蚀是一种氧化-还原反应过程，也就是腐蚀介质中的氧化剂直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。
金属的化学腐蚀主要发生在如下四种介质中。
（1）金属在干燥大气体中的腐蚀
金属在湿度不大的大气条件下的腐蚀属于化学腐蚀，这种腐蚀进行的速度较慢，造成的危害轻微。
（2）金属在高温气体中的腐蚀
这是危害严重的一类化学腐蚀，如金属的高温氧化，在高温条件下，金属与环境中的氧或氧化性气体(h2o、so2、co2等)化合生成金属化合物，温度越高，金属的氧化速度越快；钢的高温脱碳，在高温气体作用下，金属表面与高温气体中的02、h20、s02、h2反应，使碳的含量减少，金属的表面硬度和抗疲劳强度降低。
（3）其他氧化剂引起的化学腐蚀
在腐蚀反应中夺取电子导致金属原子成为离子的物质不是氧，而是硫、卤素原子或其他原于或原子团，这时反应物不是氧化物，而是卤化物、氢氧化物或其他化合物。这种情况下，腐蚀速度和危害程度取决于金属及氧化物的性质。
（4）金属在非电解质溶液中的腐蚀
金属在不含水、不电离的有机溶剂中，与有机物直接反应而受化学腐蚀，如al在ccl4、mg和ti在甲醇中的腐蚀，这类腐蚀比较轻微。
二、电化学腐蚀
金属电化学腐蚀指金属与介质发生电化学反应而引起的变质和损坏。其特点是在腐蚀过程中有电流产生，金属在各种酸、碱、盐溶液、潮湿大气、工业用水中的腐蚀，都属于电化学腐蚀。电化学腐蚀是一种比化学腐蚀更为普遍、危害更加严重的腐蚀。
（一）电极电位
把zn置于水溶液中，由于极性水分于的作用，zn表面上的zn离子克服自身电子的引力，一些zn离子将脱离金属表面进入相接触的水中形成水化离子，与这些离子保持中性的电子仍然留在金属上，这就是氧化反应。随着反应的进行，生成的水化离子越多，金属表面的过剩电子也越多。当金属的氧化反应到一定时间，动态上不再进行，其结果形成了由金属表面带负电，与金属相接触的水中带正电的双电层。许多金属如铁、镉等浸在水或酸、碱、盐的水溶液中，都能够形成这样的双电层。
如果金属离子的水化能不足以克服金属离子与电子的吸引力，则溶液中的水化离子可能被金属上的电子吸引而进入金属内部，因而金属表面带正电荷，与之相邻的液层中聚集阴离子而带负电荷，形成一种与前相反的双电层，铜、银、金等金属在含有该金属盐的水溶液中就形成这种双电层。双电层示意如图1-1所示。
形成双电层的金属及电解质溶液称为电极。不同的电极有不同的电位，若规定某一电极的电位为零电位，此电极为参比电极，相对于参比电极的电位差就成为该电极的电极电位。
图1-1 双电层示意图
图1-2 金属锌和金属铜组成的腐蚀电池
（二）腐蚀电池
如果把两种电极电位不同的金属互相接触，或用导线连接，同时放入同一电解质中．就组成了腐蚀电池。如图1-2所示为金属锌和金属铜组成的腐蚀电池，锌的电极电位低，铜的电极电位高，锌离子不断进入电解质溶液中，多余的电子通过导线流向了铜极。在锌极上发生的是氧化反应zn-2e→zn2+，在铜极上发生的是还原反应2h++2e→h2。腐蚀电池的总反应为
zn+2h+zn2++h2↑
反应的结果造成金属锌的电化学腐蚀和溶液中的氧化剂被还原成氢气并聚成气泡逸出。在腐蚀电池中，发生氧化反应的电极称阳极，发生还原反应的电极称阴极。在以上腐蚀电池中，锌为阳极，铜为阴极，锌失去电子遭腐蚀，铜得到保护。金属的电化学腐蚀性决定于电极电位，电极电位低的容易被腐蚀。
三、金属腐蚀的防护措施
腐蚀主要决定于两个方面，一是材料本身的性能，二是材料所处的环境或所接触的介质。这就要求要认真分析环境介质的性质，正确选择材料；要改善腐蚀环境或介质。
金属设备的常用的防腐措施。
(一)涂敷保护层
在金属表面涂敷耐腐蚀的保护层，使金属与腐蚀环境或介质分开，从而达到防止金属腐蚀的目的。涂层分为金属保护层和非金属保护层。
1.金属保护层
金属保护层常称为镀层，通常以涂敷工艺来命名。常用的有电镀、热镀、渗镀、喷镀、热浸镀、包镀等、目的就是在金属外部包裹一层耐腐蚀的金属层。
2.非金属保护层
非金属保护层分为无机涂层和有机涂层。无机涂层指搪瓷、玻璃涂层，硅酸盐涂层和化学涂层。硅酸盐涂层主要采用硅酸盐水泥作保护层，化学涂层又称化学膜，是采用化学的方法使金属离子沉积而形成金属镀层的方法。
有机涂层包括涂料涂层、塑料涂层和硬橡胶涂层。涂料是一种流动性物质，能够在金属表面展开连续的薄膜，固化后即能将金属与介质隔开。塑料涂层是用层压法将塑料薄膜直接粘在金属表面。硬橡胶涂层是将硬橡胶覆盖于金属表面。
(二)电化学保护
根据电化学腐蚀原理，如果把要保护的金属的电极电位提高，或是把金属的电极电位降低到一定程度，则可降低腐蚀速度，甚至使腐蚀*停止。这种通过改变电极电位来控制金属腐蚀的方法称为电化学保护。电化学保护常用阴极保护法。
阴极保护又分为外加电流法和牺牲阳极法。
外加电流法是把被保护的金属设备与直流电源的负极相连，电源的正极与另一种被称为辅助电极的金属相连，如图1-3（a）所示。电源接通，电源电流的方向与腐蚀电池的方向相反，调整电源电流的大小，就能达到减少甚至停止腐蚀的目的。外加电流法在石油、化工、环境工程等方面得到了广泛的应用。
牺牲阳极法是在被保护的金属上连接一块电极电位更低的金属作为牺牲阳极,如图1-3(b)。由于外接的牺牲阳极电位比被保护的金属低，更容易失去电于面遭到腐蚀。如防止铁制地下管道的电化学腐蚀，可在管道上附以金属锌。出于锌的电极电位较铁的电极电位低，因而失去电子发生氧化反应而遭到腐蚀，铁制管道被保护下来。
图1-3 阴极保护法
(三)腐蚀介质的缓蚀
在腐蚀介质中加入缓蚀剂，改变介质的性质，可降低或消除对金属的腐蚀作用。缓蚀剂就是能够阻止或减缓金属在环境介质中腐蚀的物质,主要用于管道内壁的防腐。
1.酸性介质的防腐
在管道和锅炉的酸洗除垢中，常在酸溶液中加入吸附型缓蚀剂表面，改变金属表面的性质，从而达到防止酸性介质腐蚀的目的。
2.中性介质的防腐
缓蚀剂可吸附在金属在循环水和锅炉给水等中性介质中，腐蚀基本是由水中溶解氧和游离二氧化碳引起的，特别是在循环冷却水系统中，由于水的多次循环使用，使水中无机盐类逐渐浓缩，造成管道内壁腐蚀、结垢等。常在系统中加入氧化型或沉淀型缓蚀剂，使管道内壁形成致密的氧化膜(钝化剂)，或具有防腐的沉淀膜，以达到防腐目的。常用的缓蚀剂有；络酸盐、聚磷酸盐、硅酸盐和铜酸盐等。
3.蒸汽及供暖管道的防腐
这种腐蚀主要由水中溶解氧、氯离子及溶解盐类引起的腐蚀。其防腐措施是采用离子交换法或加缓蚀剂和脱氧剂等进行除氧、除垢。常用的缓蚀剂有：聚磷酸钠、硅酸盐和铂酸盐等，脱氧剂主要是亚硫酸钠。对*停用管道，可用浓度为200mg/l的*溶液充满管道，即可防止管道内壁的氧腐蚀。
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按腐蚀原理分类，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
一、化学腐蚀
金属的化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的变质和损坏的现象。化学腐蚀是一种氧化-还原反应过程，也就是腐蚀介质中的氧化剂直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。
金属的化学腐蚀主要发生在如下四种介质中。
（1）金属在干燥大气体中的腐蚀
金属在湿度不大的大气条件下的腐蚀属于化学腐蚀，这种腐蚀进行的速度较慢，造成的危害轻微。
（2）金属在高温气体中的腐蚀
这是危害严重的一类化学腐蚀，如金属的高温氧化，在高温条件下，金属与环境中的氧或氧化性气体(h2o、so2、co2等)化合生成金属化合物，温度越高，金属的氧化速度越快；钢的高温脱碳，在高温气体作用下，金属表面与高温气体中的02、h20、s02、h2反应，使碳的含量减少，金属的表面硬度和抗疲劳强度降低。
（3）其他氧化剂引起的化学腐蚀
在腐蚀反应中夺取电子导致金属原子成为离子的物质不是氧，而是硫、卤素原子或其他原于或原子团，这时反应物不是氧化物，而是卤化物、氢氧化物或其他化合物。这种情况下，腐蚀速度和危害程度取决于金属及氧化物的性质。
（4）金属在非电解质溶液中的腐蚀
金属在不含水、不电离的有机溶剂中，与有机物直接反应而受化学腐蚀，如al在ccl4、mg和ti在甲醇中的腐蚀，这类腐蚀比较轻微。
二、电化学腐蚀
金属电化学腐蚀指金属与介质发生电化学反应而引起的变质和损坏。其特点是在腐蚀过程中有电流产生，金属在各种酸、碱、盐溶液、潮湿大气、工业用水中的腐蚀，都属于电化学腐蚀。电化学腐蚀是一种比化学腐蚀更为普遍、危害更加严重的腐蚀。
（一）电极电位
把zn置于水溶液中，由于极性水分于的作用，zn表面上的zn离子克服自身电子的引力，一些zn离子将脱离金属表面进入相接触的水中形成水化离子，与这些离子保持中性的电子仍然留在金属上，这就是氧化反应。随着反应的进行，生成的水化离子越多，金属表面的过剩电子也越多。当金属的氧化反应到一定时间，动态上不再进行，其结果形成了由金属表面带负电，与金属相接触的水中带正电的双电层。许多金属如铁、镉等浸在水或酸、碱、盐的水溶液中，都能够形成这样的双电层。
如果金属离子的水化能不足以克服金属离子与电子的吸引力，则溶液中的水化离子可能被金属上的电子吸引而进入金属内部，因而金属表面带正电荷，与之相邻的液层中聚集阴离子而带负电荷，形成一种与前相反的双电层，铜、银、金等金属在含有该金属盐的水溶液中就形成这种双电层。双电层示意如图1-1所示。
形成双电层的金属及电解质溶液称为电极。不同的电极有不同的电位，若规定某一电极的电位为零电位，此电极为参比电极，相对于参比电极的电位差就成为该电极的电极电位。
图1-1 双电层示意图
图1-2 金属锌和金属铜组成的腐蚀电池
（二）腐蚀电池
如果把两种电极电位不同的金属互相接触，或用导线连接，同时放入同一电解质中．就组成了腐蚀电池。如图1-2所示为金属锌和金属铜组成的腐蚀电池，锌的电极电位低，铜的电极电位高，锌离子不断进入电解质溶液中，多余的电子通过导线流向了铜极。在锌极上发生的是氧化反应zn-2e→zn2+，在铜极上发生的是还原反应2h++2e→h2。腐蚀电池的总反应为
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反应的结果造成金属锌的电化学腐蚀和溶液中的氧化剂被还原成氢气并聚成气泡逸出。在腐蚀电池中，发生氧化反应的电极称阳极，发生还原反应的电极称阴极。在以上腐蚀电池中，锌为阳极，铜为阴极，锌失去电子遭腐蚀，铜得到保护。金属的电化学腐蚀性决定于电极电位，电极电位低的容易被腐蚀。
三、金属腐蚀的防护措施
腐蚀主要决定于两个方面，一是材料本身的性能，二是材料所处的环境或所接触的介质。这就要求要认真分析环境介质的性质，正确选择材料；要改善腐蚀环境或介质。
金属设备的常用的防腐措施。
(一)涂敷保护层
在金属表面涂敷耐腐蚀的保护层，使金属与腐蚀环境或介质分开，从而达到防止金属腐蚀的目的。涂层分为金属保护层和非金属保护层。
1.金属保护层
金属保护层常称为镀层，通常以涂敷工艺来命名。常用的有电镀、热镀、渗镀、喷镀、热浸镀、包镀等、目的就是在金属外部包裹一层耐腐蚀的金属层。
2.非金属保护层
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(二)电化学保护
根据电化学腐蚀原理，如果把要保护的金属的电极电位提高，或是把金属的电极电位降低到一定程度，则可降低腐蚀速度，甚至使腐蚀*停止。这种通过改变电极电位来控制金属腐蚀的方法称为电化学保护。电化学保护常用阴极保护法。
阴极保护又分为外加电流法和牺牲阳极法。
外加电流法是把被保护的金属设备与直流电源的负极相连，电源的正极与另一种被称为辅助电极的金属相连，如图1-3（a）所示。电源接通，电源电流的方向与腐蚀电池的方向相反，调整电源电流的大小，就能达到减少甚至停止腐蚀的目的。外加电流法在石油、化工、环境工程等方面得到了广泛的应用。
牺牲阳极法是在被保护的金属上连接一块电极电位更低的金属作为牺牲阳极,如图1-3(b)。由于外接的牺牲阳极电位比被保护的金属低，更容易失去电于面遭到腐蚀。如防止铁制地下管道的电化学腐蚀，可在管道上附以金属锌。出于锌的电极电位较铁的电极电位低，因而失去电子发生氧化反应而遭到腐蚀，铁制管道被保护下来。
图1-3 阴极保护法
(三)腐蚀介质的缓蚀
在腐蚀介质中加入缓蚀剂，改变介质的性质，可降低或消除对金属的腐蚀作用。缓蚀剂就是能够阻止或减缓金属在环境介质中腐蚀的物质,主要用于管道内壁的防腐。
1.酸性介质的防腐
在管道和锅炉的酸洗除垢中，常在酸溶液中加入吸附型缓蚀剂表面，改变金属表面的性质，从而达到防止酸性介质腐蚀的目的。
2.中性介质的防腐
缓蚀剂可吸附在金属在循环水和锅炉给水等中性介质中，腐蚀基本是由水中溶解氧和游离二氧化碳引起的，特别是在循环冷却水系统中，由于水的多次循环使用，使水中无机盐类逐渐浓缩，造成管道内壁腐蚀、结垢等。常在系统中加入氧化型或沉淀型缓蚀剂，使管道内壁形成致密的氧化膜(钝化剂)，或具有防腐的沉淀膜，以达到防腐目的。常用的缓蚀剂有；络酸盐、聚磷酸盐、硅酸盐和铜酸盐等。
3.蒸汽及供暖管道的防腐
这种腐蚀主要由水中溶解氧、氯离子及溶解盐类引起的腐蚀。其防腐措施是采用离子交换法或加缓蚀剂和脱氧剂等进行除氧、除垢。常用的缓蚀剂有：聚磷酸钠、硅酸盐和铂酸盐等，脱氧剂主要是亚硫酸钠。对*停用管道，可用浓度为200mg/l的*溶液充满管道，即可防止管道内壁的氧腐蚀。
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