金屬腐蝕控制技術

在可能引起金屬腐蝕的介質中加入少量緩蝕劑就能大大減緩金屬腐蝕過程。緩蝕劑可分為無機緩蝕劑、有機緩蝕劑和氣相緩蝕劑三類。

有些無機緩蝕劑使陽極過程變慢，稱為陽極型緩蝕劑，如促進陽極鈍化的氧化劑(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);另一類無機緩蝕劑是促進陰極極化，稱為陰極緩蝕劑，如Ca2+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+等，能與在陰極反應中產生的OH-形成不溶性的氫氧化物，以厚膜形態(tài)覆蓋在陰極表面，因而阻滯氧擴散到陰極，增大濃差極化。也有同時阻滯陽極過程和陰極過程的混合型緩蝕劑。有些溶液中的雜質，如S、Se、As、Sb、Bi等化合物，能阻抑陰極放氫過程，使陰極極化增大，減緩腐蝕。緩蝕劑的用量一般要先通過試驗才能確定。

有機緩蝕劑屬于吸附型緩蝕劑，它們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，但阻滯效果并不相同。常用品種有含N、含S、含O、含P的有機化合物，如胺類、雜環(huán)化合物、長鏈脂肪酸化合物、硫腺類、醛類、有機磷類等。緩釋劑的吸附類型有靜電吸附、化學吸附。靜電吸附劑有苯胺及其取代物，吡啶、丁胺、苯甲酸及其取代物如苯磺酸等;化學吸附劑有氮和硫雜環(huán)化合物;有些化合物同時具有靜電和化學吸附作用。此外，有些螯合劑能在金屬表面生成一薄層金屬有機化合物。近年來，有機緩蝕劑發(fā)展很快，應用廣泛，使用這些緩蝕劑也會產生缺點，如可能污染產品，可能對生產流程產生不利影響等。

氣相緩蝕劑多是揮發(fā)性強的物質，也屬于吸附型緩蝕劑。它的蒸氣被大氣中水分解出有效的緩蝕基團，吸附在金屬表面使腐蝕減緩，一般用于金屬零部件的保護、貯藏和運輸。它必須用于密封包裝內，海洋油輪內艙也可用它來保護。常見的有效氣相緩蝕劑有脂環(huán)胺和芳香胺;聚甲烯胺;亞硝酸鹽與硫脲混合物;烏洛托品和乙醇胺;硝基苯和硝基萘等。

金屬電化學腐蝕過程中，微型電池的陰極是接受電子產生還原反應的電極，陽極是失去電子發(fā)生氧化反應的電極，只有陽極才發(fā)生腐蝕。陰極保護法就是將需要保護的金屬作為腐蝕電池的陰極(原電池的正極)或作為電解池的陰極而不受腐蝕。前一種稱為犧牲陽極法，后一種稱為外加電流法。犧牲陽極法，就是電極電位較負(較活潑)的金屬或其合金連接在被保護的設備上，例如鋼鐵設備連接一塊Zn、Mg或Al合金，使它們在形成的原電池中作為陽極而被腐蝕，而使金屬設備作為陰極受到保護，這種被犧牲的陽極須定時更換。外加電流法，是在體系中連接一塊導流電極(石墨、鉑或鍍釕、鈦、高硅鐵、廢鋼等)作為陽極，當外部導入的陰極電流，使局部陰極電流與局部陽極電流相等、方向相反而相互抵消時，金屬腐蝕停止，達到保護設備的目的。陰極保護廣泛用于土壤和海水中的金屬結構、裝置等，如管道、電纜、海船、港灣碼頭設施、鉆井平臺、水庫閘門、油氣井等。為了減少電流輸入，延長使用壽命，陰極保護法一般和金屬表面涂料法聯合應用，是一種經濟簡便、行之有效的金屬防腐方法。

如果能消除金屬材料和設備在使用環(huán)境中引起腐蝕的各種因素，腐蝕就會中止或減緩。但是多數環(huán)境條件是無法控制的，如大氣和土壤中的水分、海水中的氧等都不可能除去。生產流程也是不能任意改動的，這時可以調整局部環(huán)境。例如鍋爐進水先去氧(加入脫氧劑Na2SO3和N2H4等)，可保護鍋爐管少受腐蝕;先除去密閉倉庫進入空氣的水分，可免貯存金屬部件生銹;在水中經常加入堿或酸以調節(jié)pH至最佳范圍(通常接近中性)，可以防止冷卻水對換熱器和其他設備的結垢、穿孔;煉制石油的工藝中也常加堿或氨，使生產流體保持中性至弱堿性。

根據金屬材料的腐蝕數據，選擇對特定環(huán)境腐蝕率低、價格便宜、性能好的材料，是常用的、簡便的控制腐蝕的方法，可以使設備獲得經濟、合理的使用壽命。由于設備的結構常常對腐蝕產生影響，所以正確的設計也很重要。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。

一些可以鈍化的金屬，當從外部通入電流，電位隨電流上升，達到致鈍電位后，腐蝕電流急速下降，后隨電位上升，腐蝕電流不變，直到過鈍區(qū)為止(如圖3-5)。

圖3-5一些金屬陽極極化(鈍化)曲線

利用這個原理，以要保護的設備為陽極導入電流，使電位保持在鈍化區(qū)的中段，腐蝕率可保持很低值。在保持鈍性的電位區(qū)間，決定金屬的陽極溶解電流密度大小的是鈍化膜的溶解速度，所以，金屬的鈍態(tài)不是熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，而是一種遠離平衡的耗散結構狀態(tài)。陽極保護法需要一臺恒電位儀以控制設備的電位(以免波動時進入活化區(qū)或過鈍化區(qū))。由于只適用于可鈍化金屬，所以這種方法的應用受到限制。陽極保護法在工業(yè)上用于生產、處理H2SO4、H3PO4、NH4HCO3溶液、NH4NO3復合肥等的不銹鋼或碳鋼制容器和設備等。

在鋼鐵底層上常用電鍍一薄層更耐腐蝕的金屬(如Cr、Ni、Pb等)的方法來保護鋼鐵制品。如果用金屬Zn、Cd等作鍍層，構成腐蝕電池的極性則與上述相反，鍍層微孔內裸露的鋼為陰極，Zn或Cd的鍍層為陽極，通過犧牲陽極，使鋼得到陰極保護。鍍Sn的Fe(馬口鐵)廣泛用于食品罐頭，雖然Sn的標準電極電位高于Fe，但在食品有機酸中卻低于Fe,也可起犧牲陽極的作用。鍍層如為貴金屬(Au、Ag等)、易鈍化金屬(Cr、Ti)以及Ni、Pb等時，由于它們的電極電位比Fe高，如果出現破損，在電極反應中這些金屬將成為陰極，會加速底層鐵的腐蝕，因此這類鍍層不適于強腐蝕環(huán)境(如酸)，但可用于大氣、水等環(huán)境。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等方法。

在基體金屬中加入一定比例的能促進鈍化的合金成分，便得到耐蝕性優(yōu)良的材料。如Fe中加入Cr，當Cr量達12%以上時，就成為不銹鋼，在氧化環(huán)境中它的表面可以生成鈍化膜，有很高的耐蝕性。鉻鋼中加入Ni，可擴大鈍化范圍，還可提高機械性能。含Cr 18%、Ni 9%的Cr?Ni不銹鋼是工業(yè)和民用中應用最廣的耐蝕合金。鎳銅合金中的鎳大于30%~40%時，它們比純Cu和純Ni的耐蝕性在一些環(huán)境中更優(yōu)越。一系列Ni合金是常用的耐蝕材料，如鎳鑄鐵有優(yōu)良的耐堿性;Ni-Mo-Cr合金是少數能耐高溫非氧化性酸(如HCl)的合金;Ni-Al-Cr-Fe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。

用有機涂料保護大氣中的金屬結構是應用最廣的傳統(tǒng)防腐手段。市售各類油漆、清漆等都屬這一類，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在多為合成樹脂漆所替代。這些涂料覆蓋在金屬表面，干后形成多孔薄膜，雖然不能使金屬與介質完全隔絕，但增大介質通過微孔的擴散阻力和溶液電阻，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，腐蝕產物可堵塞微孔，有很長的使用壽命。這種方法不適于強腐蝕溶液(如酸)中，因為金屬腐蝕迅速并產生氫氣，會使漆膜破裂。

涂料涂層的程序:首先是表面處理，這是最重要的一環(huán)，表面銹垢、油污等要徹底除凈，否則會影響涂層與金屬的黏結力;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，當微孔中滲入介質后可起緩蝕作用;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)氧樹脂、聚氨酯、氯磺化聚乙烯、氯化聚醚、酚醛、呋喃(糠醇)等。瀝青是廉價但性能優(yōu)良的涂料，也常和環(huán)氧樹脂等混合應用于地下管道。天然樹脂生漆是我國特產，具有優(yōu)良耐酸性和耐堿性，是一種高級涂料。

無機涂層中廣泛應用的是以鋅粉為主的富鋅漆，以合成樹脂為黏結劑，干后表面鋅膜是導電的，作用和陰極保護相同，在大氣中可使用很久，也可用于較高溫環(huán)境。

金屬保護中常用對其表面進行處理以防止腐蝕。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)定密實的鈍化膜，抗蝕性大大增加。例如，鋁經過陽極處理，表面可以生成比在大氣中生成的更為致密的膜，這類膜在溫和的腐蝕環(huán)境(大氣和水)中有優(yōu)良的抗蝕能力。鋼鐵部件表面發(fā)藍(生成磁性氧化鐵的化學轉化膜)也是一個廣為應用的例子。在金屬表面處理時，一般將鋼鐵部件放在充滿Cr、Al、Si的粉末中，或在金屬蒸氣中，將易鈍化的合金成分如Cr、Mo、Si滲入鋼鐵表面，進行熱滲鍍，表面滲鍍層在氧化性環(huán)境內產生鈍化膜，它的抗高溫氧化能力和某些耐蝕性優(yōu)于底層鋼。較新的一種表面技術是離子注入法，一般用離子注入機，使B、C、P、Si、N、Mo、Pd、Pt等元素或貴金屬電離、加速，高能離子與基體金屬相撞擊進入表面，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。

適用于跟強腐蝕介質接觸的設備內部，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。耐火磚襯里則可起隔熱作用。搪瓷耐酸性強，廣泛用于食品、醫(yī)藥等工業(yè)，可保證產品質量。