第5章 金属在自然环境中的腐蚀

《第5章 金属在自然环境中的腐蚀》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章 金属在自然环境中的腐蚀（67页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第六章第六章 金属在各种介质中的腐金属在各种介质中的腐蚀与防护蚀与防护 61 金属在大气中的腐蚀与防护金属在大气中的腐蚀与防护 一、大气腐蚀大气腐蚀 n在大气中使用的钢材量一般超过全世界钢产量的60，厂房的钢梁、桥梁、钢轨、各种机械设备、车辆以及武器装备等金属材料都是在大气环境下使用。据估计，因大气腐蚀而造成的损失约占总的腐蚀损失量的一半以上。n定义定义：金属与所处的自然大气环境间因环境因素而引起材料变质或破坏的现象。n分类分类：湿的大气腐蚀 、潮的大气腐蚀、干的大气腐蚀： 二、大气腐蚀机理二、大气腐蚀机理 n 当大气中CO2、SO2、NO2或盐类溶解于在钢铁表面由于凝露而形成一层薄膜时，该水

2、膜则成为电解质，此时金属表面发生腐蚀。n大气腐蚀的特点大气腐蚀的特点：金属表面处于薄层电解质下的腐蚀过程，其腐蚀规律符合电化学腐蚀的一般规律。n1. 大气腐蚀的电化学过程：大气腐蚀的电化学过程： 阴极过程：在液膜的大气腐蚀中，阴极过程以氧去极化为主。 O2+2H2O+4e-4OH- 阳极过程：Me+x H2OMen+x H2O+n e- 大气腐蚀的电化学过程大气腐蚀的电化学过程n在薄的液膜条件下，大气腐蚀的阳极过程受到较大的阻滞，因为氧更容易达到金属表面，生成氧化膜或氧的吸附膜，使阳极处于钝态。阳极钝化及金属离子化过程困难是造成阳极极化的主要原因。n当液膜增厚，相当于湿的大气腐蚀时，氧到达金属

3、表面有一个扩散过程，因此腐蚀过程受氧扩散过程控制。 n所以，潮的大气腐蚀主要受阳极过程控制，而湿的大气腐蚀主要受阴极过程控制。2. 锈蚀机理锈蚀机理 n 由于大气腐蚀的条件不同，锈层的成分和结构往往很复杂。一般认为，锈层对于锈层下基体铁的离子化将起到强氧化剂的作用。Evans认为大气腐蚀的锈层处在潮湿条件下，锈层起强氧化剂作用。在锈层内阳极反应发生在金属/Fe3O4界面上：FeFe2+2e n 阴极反应发生在Fe3O4/FeOOH界面上：6FeOOH+2e2 Fe3O42H2O2OH- n 可见锈层参与了阴极过程，图为Evans锈层模型，可以看出，锈层内发生Fe3Fe2+的还原反应，锈层参与了

4、阴极过程。 锈蚀机理锈蚀机理n当锈层干燥时，即外部气体相对湿度降低时，锈层和底部基体钢在大气中氧的作用下，锈层重新氧化成Fe3的氧化物，可见在干湿交替的条件下，锈层能加速钢的腐蚀过程。 n碳钢锈层结构一般分内外两层。内层紧靠钢和锈的界面上，附着性好，结构较紧密，主要由致密的带少许Fe3O4晶粒和非晶FeOOH构成；外层由疏松的结晶FeOOH，FeOOH构成。n锈层生成的动力学规律：W=Ktn W-失重量 k-常数 t暴露时间 n常数 三、影响因素三、影响因素 （1）气候因素）气候因素n相对湿度相对湿度：温度和相对湿度是引起金属在大气腐蚀的重要原因。相对湿度是大气中的水蒸汽压与同一温度下大气中饱

5、和水蒸汽压的比值。每种金属都存在一个腐蚀速度开始急剧增加的湿度范围，人们把大气腐蚀速度开始急剧增大时的大气相对湿度值成为临界湿度。对于钢、铁、铜、锌，临界湿度约在70-80之间。由图可见，湿度小于临界湿度时，腐蚀速度很慢，几乎不被腐蚀。 气候因素气候因素n气温：气温：但相对湿度达到临界湿度以上时，温度的影响十分明显。按一般化学反应，温度每升高10，反应速度提高约2倍。 n降雨：降雨：降雨对大气腐蚀具有两方面的作用，一方面增大了大气中相对湿度，增加腐蚀速度；另一方面，降雨能冲刷金属表面的污染物和灰尘，减缓了腐蚀。 （2）大气成分）大气成分 n大气中常含有SO2、CO2、H2S、NO2、NaCl以

6、及尘埃等。这些污物不同程度地加速大气腐蚀。大气中固态颗粒杂质通常成为尘埃。它的组成非常复杂，除海盐外，还有碳和碳化物、硅酸盐、氮化物、铵盐等固态颗粒。n尘埃对大气腐蚀的影响有三种方式：1）尘埃本身具有腐蚀性，如铵盐颗粒能熔入金属表面的水膜，提高电导和酸度，促进了腐蚀。 2）尘埃本身无腐蚀作用，但能吸附腐蚀物质，如碳能吸附SO2和水生成腐蚀性的酸性溶液。 3）尘埃沉积在金属表面形成缝隙而凝聚水分，形成氧浓差引起缝隙腐蚀。 大气成分大气成分（3）金属表面因素）金属表面因素 四、防护四、防护 1）提高材料耐蚀性，如加入Cu、P、Cr、Ni等，例如日本的Corten钢； 2）使用有机、无机涂层和金属镀

7、层； 3）使用气相缓蚀剂和暂时性防护涂层；4）降低大气湿度（加热空气，吸水剂如硅胶、氯化钙、氮化锂等），主要用于仓储金属制品的保护。 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀 n二氧化碳溶入水后有极强的腐蚀性，由此对金属材料的破坏称为二氧化碳腐蚀。在相同pH值条件下，由于CO2的总酸度比盐酸还高，因此它对钢铁的腐蚀比盐酸还严重。 n1925年美国石油学会首次采用CO2腐蚀这一术语。油田井下油管的腐蚀称为CO2腐蚀。 n破坏形式：破坏形式：点蚀(pitting corrosion) 台地浸蚀(mesa attack corrosion) 流动诱使局部腐蚀（flow induced localized corro

8、sion） 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀nCO2腐蚀机理：腐蚀机理：多年来二氧化碳的腐蚀机理一直是研究的热点。如下表所示： 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀n二氧化碳全面腐蚀机理：二氧化碳全面腐蚀机理：铁在CO2水溶液中的腐蚀基本过程的阳极反应为：Fe +OH- FeOH +e FeOH FeOH+ +e FeOH+Fe2+OH- 亦即铁的阳极氧化过程。 nG.Sctmitt等的研究结果表明在腐蚀阴极主要有以下两种反应。(下标ad代表吸附在钢铁表面上的物质，sol代表的溶液中的物质。) 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀n非催化的氢离子阴极还原反应。当pH4时H3O+eHad+H2O H2CO3H+HCO3- HC

9、O3-H+CO32- 当4pH6时 2HCO3-+2eH2+2 CO32- 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀n表面吸附CO2,ad的氢离子催化还原反应。CO2, solCO2,ad CO2, ad +H20H2CO3, ad H2CO3, ad+eHad+HCO3-.ad H3O+, ad +e Had +H2O HCO3-.ad+ H3O+, ad H2CO3, ad +H2O n两种阴极反应的实质都是由于CO2溶解后形成的HCO3-电离出H+的还原过程。 n总的腐蚀反应为:CO2 +H2O+FeFeCO3 +H2 二氧化碳腐蚀二氧化碳腐蚀nCO2腐蚀的影响因素腐蚀的影响因素:nCO2腐蚀控制腐蚀控

10、制 介质含水量 介质温度 CO2分压介质的pH值 介质中氯离子含量 介质中HCO3-含量 介质中H2S含量 介质中O2含量 合理选材 改变使用环境 使用缓蚀剂 电化学保护 采用保护性覆盖层 62海水腐蚀海水腐蚀 一、海水的物理化学性质一、海水的物理化学性质n表层海水含盐量一般在3.20-3.75%之间，随水深的增加，含盐量略有增加。很高的电导率（4102Scm-1）,远远超过河水（2104Scm-1）和雨水（1105Scm-1）的电导率。海水pH值通常为8.1-8.2，且随海水深度变化而变化。n海水含氧量是海水腐蚀的主要因素。在海面正常情况下，海水表面层被空气饱和，在标准大气压空气饱和下的溶氧

11、量，氧的浓度随水体在510ppm范围内。 n海水是一种含有多种盐类近中性的电解质溶液，并溶有一定的氧，这决定了金属在海水中腐蚀的电化学特征。 二、腐蚀机理及特征二、腐蚀机理及特征 n1）除了镁及其合金既有吸氧腐蚀又有析氢腐蚀外，其它金属的腐蚀都属氧去极化阴极过程。 n2）海水腐蚀的阳极极化阻滞对于大多数金属（如钢铁、锌、铜等）是很小的。只有极少数易钝化金属如钛、锆、铌、钽等才能在海水中保持钝态。n3）海水中的电阻性阻滞很小，所以海水腐蚀过程中金属表面形成的微电池和宏观电池都有很大的活性。海水中不同金属接触时很容易发生电偶腐蚀。 n4）海水中易出现点腐蚀和缝隙腐蚀。 三、影响海水腐蚀的因素三、影