金属腐蚀与防护

3.3.8　金属腐蚀与防护

1.金属的电化学腐蚀

金属腐蚀有多种原因和不同的特征，其中最为普遍也是最具重要性的是电化学腐蚀。当金属与电解质溶液接触时，形成与原电池原理相同的腐蚀电池，自发发生电化学反应而使金属材料或制品变质损坏受到腐蚀，这种腐蚀即称为电化学腐蚀，由于电化学腐蚀无处不在，时时都在发生，难以根本杜绝，危害甚大，因此是研究金属腐蚀与防护的首要方向。腐蚀电池中发生氧化反应的极叫阳极(对应原电池的负极)，发生还原反应的极为阴极(对应原电池的正极)。

2.电化学腐蚀的主要类型

(1)析氢腐蚀

钢铁制品在酸性较强的环境中，易发生析氢腐蚀，其反应如下:

阳极(Fe)Fe(s)Fe²+2e(铁的腐蚀)

阴极(FeC₃，铁炭体)2H⁺+2eH₂(g)(氢的析出)，由于H⁺被还原成H₂析出，使阴极附近有多余的OH^－离子存在。

总反应2H⁺+Fe(s)H₂(g)+Fe²⁺

Fe²⁺+2OH－Fe(OH)₂，Fe(OH)₂被空气氧化为Fe(OH)₃，然后部分脱水变成Fe₂O₃(铁锈)。

在这类腐蚀过程中，有H₂析出，故称析氢腐蚀。

(2)吸氧腐蚀

钢铁制品在酸性不强、近中性的环境中，一般发生吸氧腐蚀。其反应如下:

阳极(Fe)Fe(s═══)Fe²⁺+2e

阴极(FeC₃)O₂(g)+2H₂═══O+4e4OH^－

总反应:2Fe(s)+O₂(g)+2H₂═══O2Fe(OH)₂

Fe(OH)₂进一步被空气中的O₂氧化成Fe(OH)₃，部分脱水后变成Fe₂O₃(铁锈)。

这类腐蚀过程中有O₂参与，需从空气中吸入氧气，故称吸氧腐蚀。

(3)差异充气腐蚀(浓差腐蚀)

差异充气腐蚀是吸氧腐蚀的一种，它是因为在钢铁表面氧气分布不均匀引起的吸氧腐蚀。埋得较深的部位O₂浓度小(O₂分压低)，电极电位比较低，作为腐蚀阳极，Fe发生阳极溶解而被腐蚀。接近大气的浅部，O₂浓度较大，O₂被还原成OH^－。反应式如下:

阳极(Fe)═══FeFe²⁺+2e

阴极(Fe)O₂+2H₂═══O+4e4OH^－

总反应2Fe+O₂+2H₂═══O2Fe(OH)₂

同样，Fe(OH)₂进一步被氧化成Fe(OH)₃，并进一步脱水变成Fe₂O₃，例如埋在土中的钢铁部件，由于空气扩散困难，靠近空气的暴露部位其附近水层中溶解的O₂浓度要比埋得较深部位处大，常发生差异充气腐蚀。其腐蚀部位在深埋土中的非暴露空气部位，铁锈则在暴露空气处堆积(OH^－多处)。

在常温下，钢铁腐蚀以电化学腐蚀为主，在电化学腐蚀中，通常以吸氧腐蚀为主。

3.金属腐蚀的防护方法

(1)改善金属的性质

组成合金，如含铬不锈钢。

(2)在金属表面形成保护层

①在金属表面进行电镀、热涂，覆盖较稳定的金属如Zn、Cr、Cu等。

②对金属表面进行磷化钝化处理，形成耐腐蚀层，如磷酸盐致密氧化膜。

③在金属表面涂漆或镀高分子膜。

(3)应用缓蚀剂法

在腐蚀介质中加入缓蚀剂，以防止或显著延缓腐蚀，缓蚀剂有NaNO₂、Na₃PO₄、(CH₂)₆N₄(六次甲基四胺又称乌洛托品)等。

(4)电化学保护法

电化学保护法是应用电化学原理达到或减缓腐蚀以保护金属的目的。常用阴极保护法，它又可分为牺牲阳极法和外加电流阴极保护法。

①牺牲阳极法:借助外加阳极(较活泼金属如Zn等)，人为组成腐蚀电池，让外加阳极在电化学腐蚀中被腐蚀掉用以保护作为阴极的金属。例如，在海洋中行驶的轮船，通常把Zn板嵌在外甲板上，在海水中发生电化学腐蚀时，被腐蚀的是作为阳极的锌板，而使铁板被保护下来，这里用的Zn板即为“牺牲阳极”。

②外加电流阴极保护法:将需保护的金属构件(如输油管道、输气管道等)，与外电源负极相连，不断外加很小的直流电，使其保持为阴极，而另用一些废铁桩作为阳极，这样发生电化学腐蚀时，被腐蚀的总是废铁组成的阳极，而使作为阴极的金属制件得到保护，这种方法即称为外加电流阴极保护法。