谢中柱，许并社，樊建锋

1太原学院机电工程系；2太原理工大学新材料工程技术中心；3太原理工大学材料科学与工程学院

金属材料防腐能力改进路径探析

谢中柱123，许并社23，樊建锋23

1太原学院机电工程系；2太原理工大学新材料工程技术中心；3太原理工大学材料科学与工程学院

由于金属的化学特性，使得金属材料很容易被腐蚀。目前金属材料被广泛的应用于各行各业，腐蚀问题严重的影响了金属材料的使用寿命，并且会带来安全性问题，因此金属的防腐是科学工作者重要的研究课题，本文从影响金属腐蚀的因素分析，对金属防腐的方法进行探究。

金属材料；防腐；探究

目前，金属材料被广泛的应用于各个领域，对人们的生活有些重要的作用。每年由于腐蚀造成的大量的金属材料浪费，这极大的浪费了资源，也给人们造成了很大的经济损失，不利于社会的可持续发展。金属的腐蚀是有金属自身的化学性质决定的，金属的腐蚀是一种化学变化，是一种化学反应，金属的活动性决定了金属腐蚀的严重程度。我们要防止金属发生腐蚀，就必然要求我们从金属腐蚀的原理出发，采用物理隔离、化学防腐蚀等方面着手。随着社会的不断发展，工业领域金属的防腐能力也提出了越来越高的要求，需要研究人员对金属防腐方法进行深入的研究。众所周知，在工业化初期，我们对金属制品的防腐措施还很简单，还很不成体系。但是到今天，我们的工业社会高度发达，以钢铁制成品为主的多种金属制品正在改变着我们的生活，这些金属材料同样也在工业领域发挥着重要作用，而且对防腐蚀工作提出了更高的要求。

1 金属材料的腐蚀概念及类型

金属由于外部介质的化学作用或者电化学作用而引起的破坏称为腐蚀。对于材料来讲，没有哪一种材料能够绝对耐腐蚀，一定类型的材料只有在一定的压力、温度、操作介质类型等因素的条件下，才具有耐腐蚀能力。不同的材料的耐腐蚀能力也存在差异，金属材料的耐腐蚀性能跟金属的种类有很大关系，一般人们通过金属的腐蚀速度来判断金属的耐腐蚀能力。评定金属材料是否受到腐蚀的方法有视觉观察、质量观察、电阻变化等因素，根据造成金属腐蚀的原因可以将金属的腐蚀分为两类，分别是化学腐蚀和电化学腐蚀[1]，而电化学腐蚀造成的金属腐蚀速度和严重程度都要高于化学腐蚀。

1.1 化学腐蚀

化学腐蚀是一种不太普遍的腐蚀方式，一般是金属和所接触到的物质直接发生氧化还原反应的过程。化学腐蚀是金属和非电解质之间的发生化学反应而造成的破坏，例如铁在干燥空气下的腐蚀，这种化学反应遵循多相反应动力学的基本规律，在化学腐蚀过程中不会出现电流。化学腐蚀通常在金属和干燥的空气或者非电解质溶液接触时发生，高温下各种气体和金属的反应也属于化学腐蚀。在化学腐蚀过程中一般会出现不同厚度的膜，它是影响金属腐蚀速度的重要因素。化学腐蚀对于金属的破坏能力相对较低，腐蚀速度相较于电化学腐蚀也要慢。

1.2 电化学腐蚀

电化学腐蚀一种普遍存在的、具有很强破坏力的金属腐蚀方式。电化学腐蚀是金属和和周围的电解质发生作用，形成腐蚀电池，并从热力学的不稳定状态变到稳定状态，并对金属结构造成破坏的过程，在这个过程中金属中会出现电流。生活中的电化学腐蚀有钢铁在潮湿的空气中生锈和金属在酸中的溶解等，一般来说金属腐蚀的主要因素是电化学腐蚀。金属的腐蚀还可以根据腐蚀环境分为大气腐蚀、水腐蚀、土壤腐蚀和化工介质腐蚀。电化学腐蚀是我们在金属防腐工作中的重点。

2 影响腐蚀的因素

2.1 金属本身因素的影响

金属的腐蚀和自身的内在条件有很大的关系，如金属的表面状态、应力和自身内部组织等因素都对金属的腐蚀有影响。表面状态良好的金属相对于表面状态不好的金属来讲就更耐腐蚀，应力对金属的腐蚀有加速作用，尤其是当应力集中时，其加速金属腐蚀的同时还会破坏金属的晶格机构，危害更大。对于合金来说，其内部成分对于腐蚀的速度也有影响，例如钢中的碳元素就会因为与铁组成原电池为加速钢铁的腐蚀，而在钢铁中添加铬元素则可以减缓钢的腐蚀速度。

2.2 外部条件的影响

影响钢铁腐蚀速度的外部条件有很多，例如操作介质、溶液运动速度。温度和压强等因素都会影响金属的腐蚀。操作介质中对金属腐蚀速率影响最大的因素是pH值，它是来判断电解质溶液性质的重要指标。pH对于金属腐蚀的影响则比较复杂，在酸性条件下一般会加快金属的腐蚀速率，但是在氧化性酸中，例如硝酸或者浓度大于百分之七十的硫酸中，部分金属可以形成致密的氧化物薄膜来阻止其继续被腐蚀，例如金属铝就可以在硝酸中形成致密的三氧化二铝薄膜。在碱性溶液中电解质内形成不溶物时会减小腐蚀速度，反之则会增大腐蚀速度。介质溶液中的氯离子等也会加大金属的腐蚀速度。一般来说温度越高，对于金属的腐蚀速度会增大。随着压强的增大会造成溶液中气体的溶解度增大，从而加大金属的腐蚀速度。在不少金属设备中接触运动溶液也会加速金属的腐蚀。

3 金属材料防腐方法

3.1 根据不同条件选择金属材料

金属材料被广泛的应用于各种环境之中，但目前还没有发现任何一种金属在一切介质之下都可以耐腐蚀，因此需要合理的选择材料，是金属材料避开那些对其有高腐蚀性的材料，将金属材料更多的应用于其耐腐蚀的介质之中。例如尽量不能将铁、铜直接接触使用，这样会加速铁的腐蚀。这种方式并不需要对金属材料进行处理就可以较少金属的腐蚀，防止不必要的资源浪费。同时在一些环境中可以采用非金属材料例如陶瓷、石墨等来代替金属材料，这些材料都具有很好的化学稳定性，比金属材料更加耐腐蚀。

3.2 基于电化学的保护方法

此前我们已经介绍过了电化学腐蚀是金属最主要的腐蚀方式，根据其腐蚀金属的原理对金属进行保护。基于电化学的金属防腐蚀主要由阳极保护或者阴极保护来实现。阳极保护是通过电流使阳极极化，提高阳极的电极电位，此时阴阳极之间的电位差减小，从而减缓金属的腐蚀速度。阴极保护则是通过阴极的极化来实现的，在导电介质中将金属接到直流电源的负极上，并且使电流通过，就可以使阴极极化，这种方法的能够比较的阻止金属被腐蚀，被广泛的应用于管道的防腐蚀之中。

3.3 对金属进行覆盖

在金属表面上覆盖一层保护层是一种常用的保护金属不被腐蚀的方法，金属表面被覆盖后无法与介质接触，这样金属就不能和介质形成腐蚀电池，能够防止金属背腐蚀。这种方式要求保护层和金属能够很好地粘合，同时可以有效的阻止金属和介质的接触，同时不影响金属的强度等性质。金属的保护层主要有非金属保护层、金属保护层、化学保护层等。非金属保护层就是将非金属的有机或者无机化合物涂抹在金属的表面，例如人们通常用油漆覆盖钢铁来保护其不受腐蚀。金属保护层也是将金属或者合金作为保护层覆盖在受保护金属之上，来减缓受保护金属的腐蚀，像在金属表面镀铜等金属的工艺已经比较成熟。化学保护层是通过化学或电化学方法，在金属的表面上形成一层非金属膜，这种膜可以减少金属的腐蚀，这种方法是有关人员目前研究的热门方向。

将金属进行磷化工艺处理是化学保护层方法的一种，其具体的操作方法是将表面清洁的钢铁放入磷酸盐中浸泡，经过一段时间之后金属表面就是形成一种不溶于水的磷化物膜，这层磷化物保护膜膜可以阻止金属进一步被腐蚀。同样的还可以让金属表面生成一层氧化物保护膜来阻止金属被腐蚀，其主要工艺是用强氧化剂和烧碱对钢铁进行热处理，是钢条表面生成一种氧化物膜，这层膜也可以保护钢铁不受腐蚀。

3.4 离子注入工艺

离子注入工艺主要是利用对金属表面进行改性来进行金属防腐的。经过大量的研究和实验证明，离子注入工艺可以提高金属材料的摩擦因素、抗腐蚀性和抗氧化性等性能，从而使金属材料的使用性能得到提升。离子注入工艺和传统的金属防腐方法有很大的不同，它是利用高能量的离子的冲击金属表面来改变金属的表面性质，从而提高金属材料的防腐能力。为了增强金属的耐腐蚀能力，可以通过离子注入工艺在金属材料中注入比其生成氧化物自由能高的元素，使金属材料表面形成致密的金属氧化物薄膜。通过离子注入工艺提升金属表面耐腐蚀性能的方式主要有三种：第一，使金属表面形成稳定的合金，例如将Cr、Mn等金属元素注入到Fe的表面来形成不锈钢的表面。第二，使金属表面生成有利于改进金属耐腐蚀能力的化合物，这种方法可以通过注入非金属元素的方式来实现。第三，使金属表面形成无序态来改变金属的防腐蚀性能，可以通过注入B、S等元素来实现。离子注入工艺在金属防腐方面在未来还有比较大的前景。

结论

现在金属材料被人们广泛的应用于各个领域，在未来也会是一种重要的材料，但是金属的腐蚀严重的影响了人们对金属的使用，限制了金属材料在人们生产生活中的作用，因此需要更多的研究金属防腐蚀的方法，以更好的发挥金属材料对人类的作用。目前金属腐蚀原因主要化学腐蚀和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀的破坏能力更强，是金属腐蚀的主要原因。目前金属的防腐措施主要有电化学方法，和对金属进行包覆的方法，还需要研究人员不断的努力研究金属防腐的新方法。

[1]郑玲.探讨金属材料防腐能力优化对策[J].科学之友,2013 (8):15-16.

[2]张志高,王锋,郭建达.金属材料防腐能力改进路径探析[J].山东工业技术,2015(13):201-201.

[3]吴国波.金属材料的腐蚀与防腐措施研究[J].科学故事博览, 2009，(8):50-52.

[4]徐小刚.化工腐蚀与防护[M].北京:化学工业出版社，2010: 121

[5]王茗,史庆南,陈勇军.离子注入材料表面改性的研究进展[J].云南冶金,2003,32(2):54-56.