控制材料腐蝕的方法和措施有哪些

  目前，控制材料腐蝕的方法和種類有很多，浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員整理主要控制材料腐蝕的十種方法或措施如下：

 一、正確選材和設(shè)計(jì)

  材料的品種很多，不同材料在不同環(huán)境中有不同的腐蝕速度，有些腐蝕率很高，根本不能應(yīng)用，有些比較低或很低。選材者對某一特定環(huán)境選擇腐蝕率低、價(jià)格較便宜、物理力學(xué)性能等又適合設(shè)計(jì)要求的材料，是常用的、簡便而行之有效的控制腐蝕的方法，設(shè)備可以獲得經(jīng)濟(jì)、合理的使用壽命。正確選材需要完整的腐蝕數(shù)據(jù)，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)常常可能對腐蝕產(chǎn)生影響，所以正確的設(shè)計(jì)也很重要。在第二篇中將詳細(xì)討論這些問題。另外，選材者也需要具備一定的腐蝕及防腐蝕知識，才能更完善地解決選材問題。本篇為此提供了必要的關(guān)于腐蝕科學(xué)的基本概念。

 二、調(diào)整環(huán)境

  如果能消除環(huán)境中引起腐蝕的各種因素，腐蝕就會中止或減緩，但是多數(shù)環(huán)境是無法控制的，如大氣和土壤中的水分，海水中的氧等都不可能除去?；どa(chǎn)流程也不可能任意更動。但是有些局部環(huán)境可以調(diào)整，例如鍋爐進(jìn)水先去氧（加入脫氧劑亞硫酸鈉和肼等），可保護(hù)鍋爐管免遭腐蝕。密閉的倉庫進(jìn)入的空氣先除去水分，可免貯存金屬部件生銹。

  如改變環(huán)境不影響產(chǎn)品和工藝，有些生產(chǎn)流程也可采用這種方法。為了防止冷卻水對換熱器和其它設(shè)備的結(jié)垢、穿孔，在水中經(jīng)常加入堿或酸以調(diào)節(jié)pH值至最佳范圍（通常接近中性）。煉油工藝中也常加堿或氨使生產(chǎn)流體保持中性至堿性。溫度太高，可以在器壁冷卻降溫，也可在設(shè)備內(nèi)壁砌襯耐火磚隔熱。如果許可的話，工藝中可選用緩和的介質(zhì)代替強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等。

三、加入緩蝕劑

 在腐蝕環(huán)境中加入少量的物質(zhì)（百分之幾以下）就能大大減緩金屬的腐蝕，這類物質(zhì)稱為緩蝕劑，可分為無機(jī)、有機(jī)和氣相緩蝕劑三類，緩蝕機(jī)理各不相同。

 1. 無機(jī)緩蝕劑

 有些緩蝕劑使陽極過程變慢，稱為陽極型緩蝕劑，如促進(jìn)陽極鈍化的氧化劑（鉻酸鹽、亞硝酸鹽、Fe3+)或陽極成膜劑（堿、磷酸鹽、硅酸鹽、苯甲酸鹽），在陽極區(qū)反應(yīng)，促進(jìn)陽極極化。一般系在陽極表面生成保護(hù)膜，緩蝕效果好，但是有危險(xiǎn)，因?yàn)槿鐒┝坎怀渥?，膜可能不完整，膜缺陷處暴露的裸金屬面積小，陽極電流密度大，容易穿孔。

 另一類緩蝕劑是在陰極反應(yīng)，促進(jìn)陰極極化,如Ca²⁺,Zn²⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,Cd²⁺,Mn²⁺,Ni²⁺等與陰極產(chǎn)生的OH-,形成不溶性的氫氧化物，以厚膜形態(tài)覆蓋在陰極表面，因而阻滯氧擴(kuò)散到陰極，增大濃差極化。也有同時阻滯陽極和陰極過程的混合型緩蝕劑。

 有些溶液中雜質(zhì)如硫、硒、砷、銻、鉍等化合物，能阻抑陰極放氫過程，使陰極活化極化增大，腐蝕減緩。但這類緩蝕劑有危險(xiǎn)，因?yàn)榉艢溥^程分兩步驟：（a)H⁺+e→H;(b)兩個H結(jié)合成H2放出，如果（b)比（a)慢，就會有多余的H積累在陰極表面，一部分進(jìn)入金屬內(nèi)部，將引起氫脆。

 冷卻水中常加入聚磷酸鹽和亞硝酸鹽緩沖劑。過去常用鉻酸鹽，效果雖好，因鉻有毒性，現(xiàn)已少用，以避免污染。自來水可加入10~200ppm聚磷酸鹽和硅酸鹽。熱水體系可用硼酸鹽。有些體系同時還需要調(diào)整pH值。

 緩蝕劑的加入量一般要先通過試驗(yàn)。含C1-高，溫度高，流速高，需加入量就大。一般無機(jī)緩蝕劑的有效加入量為幾百ppm。

 2. 有機(jī)緩蝕劑

  有機(jī)緩蝕劑是吸附型緩蝕劑，吸附在金屬表面，形成幾個分子厚的不可見膜，一般同時阻滯陽極和陰極反應(yīng)，但影響不等。常用品種有含氮、含硫、含氧、含磷有機(jī)化合物，如胺類，雜環(huán)化合物，長鏈脂肪酸化合物，硫脲類，醛類，有機(jī)膦類等。吸附類型隨有機(jī)物分子構(gòu)型的不同可分為：靜電吸附，化學(xué)吸附，和π鍵（不定位電子）吸附。靜電吸附型有苯胺及其取代物，吡啶，丁胺，苯甲酸及其取代物如苯磺酸等；化學(xué)吸附型有氮和硫雜環(huán)化合物，有些化合物同時具有靜電和化學(xué)吸附作用；π鍵吸附的效果也顯著，當(dāng)化合物由單鍵至雙鍵至三鍵變化時，π鍵與金屬的作用也增強(qiáng)，如在2.8N HCl(65℃)中對碳鋼的緩蝕效果，烯丙醇大于丙醇，炔丙醇又大于烯丙醇。此外，有些螯合劑能在金屬表面生成一薄層金屬有機(jī)化合物。由于緩蝕劑品種很多，又多屬專利，成分不公開，膜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以緩蝕機(jī)理還了解得不完全。

 有機(jī)緩蝕劑發(fā)展很快，用途廣泛。對于酸洗（鋼鐵除去銹垢）有喹啉及其取代物，硫脲類，二環(huán)已胺，甲苯醛。國內(nèi)常用品種有：沈1-D(苯胺甲醛縮合物）和JIB-5(用于鹽酸）；鄰甲苯胺（用于硫酸），藍(lán)-5(用于硝酸）等。對于油、氣井有咪唑啉－脂肪酸鹽，季銨鹽等。用于水處理有多元醇磷酸脂類等。

 使用緩蝕劑也同時產(chǎn)生缺點(diǎn)，如可能污染產(chǎn)品，特別是食品；可能對生產(chǎn)流程的這一部分有利，進(jìn)入另一部分有害，可能阻抑需要的反應(yīng)，如酸洗時使去膜速度下降過多。

 3. 氣相緩蝕劑

 這類緩蝕劑是揮發(fā)性很高的物質(zhì)，含有緩蝕基團(tuán)，一般用來保護(hù)、貯藏和運(yùn)輸中的金屬零部件，以固體形態(tài)應(yīng)用，它的蒸氣被大氣中水分解出有效的緩蝕基團(tuán)，吸附在金屬表面，使腐蝕減緩。它也是一種吸附型緩蝕劑。被保護(hù)的金屬表面不需要除銹處理，它能吸附在有銹表面并防止繼續(xù)生銹。它必須用于密封包裝內(nèi)，大至海洋油輪內(nèi)艙也可用它保護(hù)。有效的氣相緩蝕劑有下列一些：①. 胺鹽（與亞硝酸、鉻酸、碳酸、氨基甲酸、醋酸、苯甲酸及其取代酸所形成的鹽）；②. 亞硝酸、苯二甲酸、或碳酸組成的酯；③. 伯、仲、叔脂肪胺；④. 脂環(huán)胺和芳香胺；烯胺；⑥. 亞硝酸鹽與硫脲混合物，烏洛托品，乙醇胺；⑦. 硝基苯和硝基萘等。國內(nèi)外常用的品種為二環(huán)已胺亞硝酸鹽的粉末或片劑。

 四、陰極保護(hù)

  由圖可以看出，腐蝕電池中的陰極是接受電子產(chǎn)生還原反應(yīng)的電極，只有陽極才發(fā)生腐蝕。利用這個原理，可以從外部導(dǎo)入陰極電流至需要保護(hù)的設(shè)備上，使設(shè)備全部表面都成為陰極。在圖中，原來金屬表面狀態(tài)為腐蝕電位Ecor與腐蝕電流Icorr的交點(diǎn)M,如果從外部輸入陰極電流IA,IA一部分進(jìn)入局部陰極，一部分進(jìn)入局部陽極。電流的分布與陰、陽極的電阻成反比，原來的局部陰極電流與局部陽極電流Icorr相等，但二者方向相反。導(dǎo)入IA后，在陰極因電流方向相同，IK=Icot+fIA(f為電流分布系數(shù)），陽極因電流相反，I=Icorr-(1-f)IA. 所以導(dǎo)入IA后，Ik逐漸增加，電位逐漸降低，沿著CM線下降；I2則逐漸減小，沿著MA線下降，當(dāng)電位下降到EA即局部陽極的開路電位后，Ia=0,此時腐蝕停止，設(shè)備達(dá)到完全的保護(hù)。

  從熱力學(xué)上也可解釋，當(dāng)電位下降到免蝕區(qū)時，腐蝕實(shí)際停止。不過電位下降到放氫平衡線a以下時，可能產(chǎn)生氫脆。導(dǎo)入外電流有兩種方法：一是從外部接上直流電源，體系中連接一塊導(dǎo)流電極（石墨，鍍鉑或鍍釘，鈦，高硅鐵，廢鋼等）作為陽極，另一是連接一塊電位較負(fù)的金屬，例如鋼鐵設(shè)備連接一塊鋅、鎂、或鋁合金，由于后者電位比鐵低，在電解液內(nèi)構(gòu)成的原電池中成為陽極，陽極會逐漸腐蝕，所以也稱犧牲陽極，須定時更換。

 陰極保護(hù)廣泛用于土壤和海水中的金屬結(jié)構(gòu)，如管道、電纜、海船、港灣碼頭設(shè)施、鉆井平臺、水庫閘門、油氣井、家用水槽等。為了減少電流輸入，延長使用壽命，一般和涂料聯(lián)合應(yīng)用，是一種經(jīng)濟(jì)簡便、行之有效的防腐蝕方法。

 五、陽極保護(hù)

  以設(shè)備作為陽極，從外部通入電流，一般將加速腐蝕，如圖所示，腐蝕電流隨陽極極化而增大。但是對可以鈍化的金屬則會出現(xiàn)另一情況，如圖示出，當(dāng)電位隨電流上升，達(dá)到致鈍電位后，腐蝕電流急速下降，甚至可下降幾萬倍，以后隨電位上升，電流不變，直到過鈍區(qū)為止。利用這個原理，Edeleanu首先提出陽極保護(hù)的概念：以需要保護(hù)的設(shè)備為陽極，導(dǎo)入電流，使電位保持在鈍化區(qū)的中段（以免波動時進(jìn)入活化區(qū)），腐蝕率可保持很低值，通入的電流就表示設(shè)備的腐蝕速度。這種方法需要一臺恒電位儀，用以控制設(shè)備的電位。因?yàn)樗贿m用于接觸鈍化溶液的可鈍化金屬，所以用途受限制。工業(yè)上已用于處理硫酸、磷酸、碳酸氫銨生產(chǎn)液、硝銨混肥等的不銹鋼或碳鋼制的各種設(shè)備，如槽、換熱器等。

 六、合金化

  在基體金屬中加入能促進(jìn)鈍化的合金成分，當(dāng)加入量達(dá)到一定比例后，便得到耐蝕性優(yōu)良的材料。如鐵中加入鉻，當(dāng)鉻量達(dá)12%以上時，就成為不銹鋼，在氧化環(huán)境中由于表面生成鈍化膜，有很高的耐蝕性。鉻鋼中加入鎳，可擴(kuò)大鈍化范圍，還可提高機(jī)械性能。含鉻18%,鎳9%的鉻鎳不銹鋼是工業(yè)和民用中最廣用的耐蝕合金。又如鐵中加入硅量達(dá)14%時，就得到耐酸性優(yōu)良的高硅鐵，它的表面生成氧化硅保護(hù)膜，對熱硫酸、硝酸、混酸等都有優(yōu)良的抵抗力。鎳銅合金中的鎳大于30~40%時，可得到含鎳10~30%的銅鎳合金和銀70銅30(Monel)合金，它們比純銅和純鎳的耐蝕性在一些環(huán)境中都更優(yōu)越些。一系列鎳合金是有名的耐蝕材料，如鎳鑄鐵有優(yōu)良的耐堿性。鎳鉬合金是少數(shù)能耐高溫非氧化性酸（如鹽酸）的合金。鎳鉬鉻鐵合金能耐高溫氧化性酸，次氯酸鹽，海水等，比一般不銹鋼更好。

  在某些活性金屬中加入微量超電壓低的陰極貴金屬，可以促進(jìn)鈍化，如不銹鋼和鈦在某些濃度和溫度的硫酸中是活性的，如在基體金屬中加入0.1~0.15%的鈀或鉑，將在合金表面分布成為眾多的微陰極，促進(jìn)局部腐蝕電池的運(yùn)轉(zhuǎn)，陽極電流很快增大，迅即達(dá)到鈍化區(qū)，使合金耐蝕性增強(qiáng)。

 七、表面處理

 金屬在接觸使用環(huán)境之前先用鈍化劑或成膜劑（鉻酸鹽、磷酸鹽、堿、硝酸鹽和亞硝酸鹽混合液等）處理，表面生成穩(wěn)定密實(shí)的鈍化膜，抗蝕性大大增加。它與緩蝕劑防護(hù)法的不同之處，在于它在以后的使用環(huán)境中（如大氣、水）不需要再加入緩蝕劑，鋁經(jīng)過陽極處理，表面可以生成比在大氣中生成的更為密實(shí)的膜。這類膜在溫和的腐蝕環(huán)境（如大氣和水）中有優(yōu)良的抗蝕能力。鋼鐵部件表面發(fā)藍(lán)也是一個廣為應(yīng)用的例子。

 整體合金化造價(jià)比較昂貴，可采用表面合金化的方法，將易鈍化的合金成分如鉻、鋁、硅滲入鋼鐵表面，一般將鋼部件放在充滿粉末鉻、鋁、硅中，或在金屬蒸氣中，進(jìn)行加熱滲鍍。表面滲鍍層在氧化性環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生鈍化膜，它的抗高溫氧化力和某些耐蝕性優(yōu)于底層鋼。由于保護(hù)層簿，不耐磨損，壽命比整體的合金短，不適于長期接觸強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。

 較新的一種表面技術(shù)是離子注入法，一般用硼、碳、磷、硅、氮、鉬、鈀、鉑等元素或貴金屬用離子注入機(jī)使其電離、加速，使高能離子與基體金屬相撞擊，進(jìn)入表面，形成一定深度和濃度的非晶態(tài)合金層，具有比基體金屬高得多的耐蝕性，現(xiàn)已應(yīng)用于小部件。

 八、金屬鍍層和包覆層

 在鋼鐵底層上可用一薄層更耐腐蝕的金屬（如鉻、鎳、鉛等）保護(hù)。常用的方法是電鍍，一般鍍2~3層，只有幾十微米厚，因而不可避免地存在微孔，溶液可滲入微孔，將構(gòu)成鍍層－底層腐蝕電池。鍍層如為貴金屬（金、銀等）或易鈍化金屬（鉻、鈦）以及鎳、鉛等時，由于電位比鐵高，將成為陰極，會加速底層鐵腐蝕。因此這類鍍層不適于強(qiáng)腐蝕環(huán)境（如酸），但可用于大氣、水等環(huán)境，緩慢產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物可將微孔堵塞，電阻增大，有一定的壽命。如果用賤金屬鋅、鎘等作鍍層，構(gòu)成腐蝕電池的極性則與上述相反，孔內(nèi)裸露的鋼為陰極，鋅或鎘鍍層為陽極。鋅、鎘作為犧牲陽極，使鋼得到陰極保護(hù)，在緩和的腐蝕環(huán)境中，鋅的腐蝕慢，可以保持較長壽命。鍍錫的鐵（馬口鐵）廣泛用于食品罐頭，錫的標(biāo)準(zhǔn)電位高于鐵，但在食品有機(jī)酸中，它卻低于鐵，也起了犧牲陽極的作用。除了電鍍外，還常用熱浸鍍（熔融浸鍍）、火焰噴鍍、蒸氣鍍和整體金屬薄板包鍍。后者因無微孔，耐蝕性強(qiáng)，壽命也更長，但價(jià)格高些。

 九、涂層

 用有機(jī)涂料保護(hù)大氣中的金屬結(jié)構(gòu)，是最廣用的防腐手段。市售各類油漆、清漆、假漆等都屬這一類，主要是由合成樹脂、植物油、橡膠漿液、溶劑、助干劑、顏料、填料等配制而成。品種極多，過去以植物油為主的油漆現(xiàn)在多為合成樹脂漆所替代。涂料覆蓋在金屬面上，干后形成多孔薄膜，雖然不能使金屬與介質(zhì)完全隔絕，但增大介質(zhì)通過微孔的擴(kuò)散阻力和溶液電阻，使腐蝕電流下降。在緩和的環(huán)境如大氣、海水等中，微孔底金屬腐蝕緩慢，腐蝕產(chǎn)物可堵塞微孔，有很長的使用壽命，但不適于強(qiáng)腐蝕溶液如酸中，因?yàn)榻饘俑g迅速，并產(chǎn)生氫氣，會使漆膜破裂。

 涂料的施工程序如下：首先是表面處理，這是最重要的一環(huán)，表面銹垢、油污等要用噴砂、噴丸和火焰清除等方法徹底除凈，否則會影響涂層與金屬的粘結(jié)力，壽命大大縮短，其次是選用底漆，一般加入紅丹，鉛酸鈣，鉻酸鋅和鋅粉等緩蝕劑，當(dāng)微孔中滲入介質(zhì)后可起緩蝕作用。最后是面漆，除了耐蝕外，美觀也是重要的目的。一般要涂幾層面漆，使微孔盡量減少。常用的合成樹脂優(yōu)良品種有：環(huán)氧、過氯乙烯、聚氨酯、氯磺化聚乙烯、氯化聚醚、酚醛、呋喃（糠醇）等。瀝青是廉價(jià)但性能優(yōu)良的涂料，也常和環(huán)氧樹脂等混合應(yīng)用于地下管道。天然樹脂生漆是我國特產(chǎn)，具有優(yōu)良耐酸性和耐候性，是一種高級涂料。

 無機(jī)涂層中廣泛應(yīng)用的是以鋅粉為主的富鋅漆，以合成樹脂為粘結(jié)劑，干后表面鋅膜是導(dǎo)電的，作用和陰極保護(hù)相同，在大氣中可使用很久，也可使用于較高溫。

 十、襯里

  一般為整片材料，適用于和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)接觸的設(shè)備內(nèi)部。如鹽酸、稀硫酸的貯槽用橡膠或塑料襯里、貯放硝酸的鋼槽用不銹鋼薄板襯里等。耐酸磚（硅磚）也廣泛用于襯里，它耐強(qiáng)酸，耐火磚襯里則可起隔熱作用。

 搪瓷實(shí)際上是一種玻璃襯里，工業(yè)上稱為搪瓷玻璃，它的耐酸性強(qiáng)，廣用于食品、醫(yī)藥等工業(yè)，可保證產(chǎn)品質(zhì)量，但是不能燒制太大的設(shè)備。