金属腐蚀调查报告

调查报告

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金属腐蚀调查报告

摘要：本文将从调查目的出发，查询课本和网上资料，论述了腐蚀的产机理，从而探讨了防腐蚀的办法。

调查目的：了解有关金属锈蚀的原因和防止金属锈蚀的方法。

调查方式：查询课本和网上资料。

调查内容：

金属现状

我们每年要向自然界索取大量的金属矿物资源，以提取数以亿吨计的金属。据有关资料报道，现在世界上每年因腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的20%~40%。这是多么惊人的数字呀！防止金属腐蚀已成为科学研究和技术领域中的重大问题。

腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的经济损失。20世纪50年代前腐蚀的定义只局限于金属腐蚀。从50年代以后，许多权威的腐蚀学者或研究机构倾向于把腐蚀的定义扩大到所有的材料。但通常还是指金属的损坏。因为金属及其合金至今仍然是最重要的结构材料，所以金属腐蚀还是最引人注意的问题之一。腐蚀给合金材料造成的直接损失巨大。有人统计每年全世界腐蚀报废的金属约一亿吨,占年产量的20%～40%。而且随着工业化的进程,腐蚀问题日趋严重化，美国1949年腐蚀消耗(材料消耗和腐蚀)为50亿美元，1975年达700亿美元，到1985年高达1680亿美元，与1949

年相比增加了80余倍。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。显然，金属构件的毁坏，其价值远比金属材料的价值大的多；发达国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2-4%；美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源；我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济损失上，它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。

腐蚀机理

导致金属锈蚀的主要原因有化学腐蚀和电化学腐蚀：

化学腐蚀主要是因为金属与氧气、水等接触，金属被氧化，以及其他有腐蚀性的化学物质对金属的腐蚀，如酸雨等；电化学腐蚀是因为原电池原理的腐蚀，这比上一个原因引起的危害更大，原理是水在金属物表面形成水膜，溶解氧气，二氧化碳等物质，这时就会形成金属为负电位的原电池，会使金属被较快地腐蚀。

一般腐蚀的定义是指由于环境作用引起的材料破坏。这个定义包含所有的自然存在的和人造的材料，含塑料、陶瓷和金属。本文的核心是金属的腐蚀，腐蚀的这个定义涉及到这样的问题：首先金属为什么会腐蚀?答案可用热力学解释，它告知我们腐蚀过程是否会发生。第二个问题是腐蚀速率是什么或者管道可使用多长时间?腐蚀动力学可以提供我们这个问题的答案。从能量的意义上讲，当金属从矿石中提炼出以后就被置位于一个高的能量状态。这些矿石是典型的金属氧化物，例如钢对应的金属氧化物是三氧化二铁(Fe2O3)，铝对应的则是氧化铝(Al2O3·H2O)。热力学的原理之一就是物质总是寻求最低的能量状态。换句话，许多金属处于热力学不稳定状态而且趋向于寻求一种较低的能量状态，也就是说有形成氧化物或者一些其他化合物的趋势。金属转化成为低能量氧化物的过程称为腐蚀。许多普通工程材料在近室温时的腐蚀发生在有水(含水)的环境下而且在性质上是电化学性质的。以在地下管道上的碳钢和低合金钢的腐蚀为例，有水的环境也被称为电解质，在地下腐蚀情况下电解质就是潮湿的土壤。腐蚀的过程涉及金属失去电子(氧化作用)的过程（见方程式(1)）而失去的电子被另外的还原反应消耗例如氧和水的还原反应（分别见方程式(2)和(3)）。

Fe-Fe2++2e (1) O2+2H2O+4e--4OH- (2) 2H2O+2e—H2+2OH- (3) 氧化反应一般称为阳极反应，而还原反应一般被称为阴极反应。两个电化学反应对腐蚀的发生是必不可少的。氧化反应造成金属的实际损失，但还原反应必须消耗由氧化反应释放出的电子来维持电荷的中性。否则，大量的负电荷将会在金属和电解质间快速形成而且使腐蚀过程停止。

金属腐蚀的防护方法

（一）改善金属的本质

根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。

（二）形成保护层

在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。

(1)金属的磷化处理

钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为5-20μm，在大气中有较好的耐腐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。

(2)金属的氧化处理

将钢铁制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚度约为0.5-1.5μm的蓝色氧化膜(主要成分为Fe3O4)，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度，故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。

(3) 非金属涂层

用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂油漆，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等)喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁、色泽艳丽，兼具防腐蚀与装饰的双重功能。

(4)金属保护层

它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。目前，随着科学的进步和发展，新的技术不断涌现，例如，热喷涂防腐技术的发展和应用更加丰富了防腐的方法。

(三)电化学保护

研究金属腐蚀的目的是提出高效，价廉而易行的措施，避免或减缓金属的腐蚀。由于金属电化学腐蚀的机理复杂，形式多种多样，影响因素千差万别，

在防腐实践中，人们研究了多种应对金属腐蚀的措施和方法，其中电化学保护，金属选材和结构设计，覆盖层保护和缓蚀剂是用的最多的几种。作为一种有效的防护措施，电化学保护方法广泛地应用于船舶，海洋工程，石油，化工等领域，是需要重点了解的方法之一。

电化学保护是金属腐蚀防护的重要方法之一,其原理是利用外部电流使被腐蚀金属电位发生变化从而减缓或抑制金属腐蚀。电化学保护可分为阳极保护和阴极保护两种方法。阳极保护是向金属表面通入足够的阳极电流,使金属发生阳极极化即电位变正并处于钝化状态,金属溶解大为减缓。阴极保护是向腐蚀金属表面通入足够的阴极电流,使金属发生阴极极化,即电位变负以阻止金属溶解。阴极保护根据电流来源不同分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。

前者牺牲阳极法是将被保护金属与电位更负的牺牲阳极直接相连，构成电流回路，从而使金属发生阴极极化。此法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。后者外加电流法则是利用外加电源,将被保护金属与电源负极相连,通过辅助阳极构成电流回路,使金属发生阴极极化。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。

牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件和防止巨型设备(如贮油罐)以及石油管路的腐蚀。采用牺牲阳极法进行阴极保护时,保护效果好坏与牺牲阳极材料本身的性能有着直接关系。牺牲阳极材料必须具备以下条件：(1)电位负,极化小。牺牲阳极的电位一定要比被保护金属的电位更负,以保证被保护金属发生显著的阴极极化。同时,在工作过程中,牺牲阳极的电位变化要小,不能随着输出电流增加发生较大改变；(2)单位质量的阳极放出的电量大；(3)阳极腐蚀小、电流效率高,阳极溶解时产生的电流大部分用于被保护金属的阴极极化；(4)溶解均匀性良好；(5)价格低廉,来源广泛,加工方便。目前研制成功并被广泛用于钢铁设施阴极保护的牺牲阳极材料有3大类：镁阳极、锌阳极和铝阳极。

(四)缓蚀剂法

缓蚀剂法是一种常用的防腐蚀措施,在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂就能和金属表面发生物理化学作用,从而显著降低金属材料的腐蚀。由于缓蚀剂在使用过程中无须专门设备,无须改变金属构件的性质,因而具有经济、适应性强等优点,广泛应用于酸洗冷却水系统、油田注水、金属制品的储运等工业过程中。

缓蚀剂分为无机盐(如硅酸盐、正磷酸盐、亚硝酸盐、铬酸盐等)和有机物

(一般是含N、S、O的化合物如胺类、吡啶类、硫脲类、甲醛、丙炔醇等)。缓蚀剂的作用是通过吸附与腐蚀产物生成沉淀而覆盖在金属电极表面形成保护膜,从而减缓电极过程的速度,达到缓蚀的目的。缓蚀剂也可分为阳极缓蚀剂和阴极缓蚀剂。阳极缓蚀剂是直接阻止阳极表面的金属进入溶液,或在金属表面上形成保护膜,使阳极免于腐蚀。如果加入缓蚀剂的量不足,阳极表面覆盖不完全,则导致阳极的电流密度增大而使腐蚀加快,故有时也将阳极缓蚀剂称为危险性缓蚀剂。阴极缓蚀剂主要抑制阴极过程的进行,增大阴极极化,有时也可在阴极上形成保护膜。阴极缓蚀剂则不具有“危险性”。随着社会进步和人类环保意识的增强,缓蚀剂的开发和运用越来越重视环境保护的要求。绿色化学及其技术将广泛应用于腐蚀防护领域。CIBA公司已开发出两种低毒有机涂层缓蚀剂Irgcor252和Irzcor53。

(五)改善腐蚀环境

改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质(称缓蚀剂)来减少和防止金属腐蚀。

调查结论：

金属资源的储量有限，而且不能再生，因此，我们应该合理的开发和利用金属资源。

随着科学技术的进步,对工业应用材料的要求越来越高,特别是金属材料的防腐蚀尤其受关注。腐蚀防护常用的隔离法、缓蚀剂法、电化学保护法等只能防护,不能从根本上根治金属的腐蚀问题,同时这些防护方法存在使用成本高、污染环境、应用环境受限制等问题。因此,研究开发新的特种合金、新型陶瓷、复合材料等耐腐蚀材料,是从根本上治理腐蚀问题的最好途径,有待材料工作者共同努力。