金屬腐蝕控制技術(shù)涂層

用有機(jī)涂料保護(hù)大氣中的金屬結(jié)構(gòu)是應(yīng)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(shù)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(guò)去以植物油為主的油漆現(xiàn)在多為合成樹(shù)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(zhì)完全隔絕，但增大介質(zhì)通過(guò)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(zhǎng)的使用壽命。這種方法不適于強(qiáng)腐蝕溶液(如酸)中，因?yàn)榻饘俑g迅速并產(chǎn)生氫氣，會(huì)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(huì)影響涂層與金屬的黏結(jié)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(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(shù)脂優(yōu)良品種有:環(huán)氧樹(shù)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(jià)但性能優(yōu)良的涂料，也常和環(huán)氧樹(shù)脂等混合應(yīng)用于地下管道。天然樹(shù)脂生漆是我國(guó)特產(chǎn)，具有優(yōu)良耐酸性和耐堿性，是一種高級(jí)涂料。

無(wú)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(shù)脂為黏結(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，也可用于較高溫環(huán)境。

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(lái)保護(hù)鋼鐵制品。如果用金屬Zn、Cd等作鍍層，構(gòu)成腐蝕電池的極性則與上述相反，鍍層微孔內(nèi)裸露的鋼為陰極，Zn或Cd的鍍層為陽(yáng)極，通過(guò)犧牲陽(yáng)極，使鋼得到陰極保護(hù)。鍍Sn的Fe(馬口鐵)廣泛用于食品罐頭，雖然Sn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高于Fe，但在食品有機(jī)酸中卻低于Fe,也可起犧牲陽(yáng)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(shí)，由于它們的電極電位比Fe高，如果出現(xiàn)破損，在電極反應(yīng)中這些金屬將成為陰極，會(huì)加速底層鐵的腐蝕，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。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。

金屬保護(hù)中常用對(duì)其表面進(jìn)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(shí)的鈍化膜，抗蝕性大大增加。例如，鋁經(jīng)過(guò)陽(yáng)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(lán)(生成磁性氧化鐵的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜)也是一個(gè)廣為應(yīng)用的例子。在金屬表面處理時(shí)，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(jìn)行熱滲鍍，表面滲鍍層在氧化性環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生鈍化膜，它的抗高溫氧化能力和某些耐蝕性優(yōu)于底層鋼。較新的一種表面技術(shù)是離子注入法，一般用離子注入機(jī)，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(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。

在基體金屬中加入一定比例的能促進(jìn)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(dāng)Cr量達(dá)12%以上時(shí)，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(kuò)大鈍化范圍，還可提高機(jī)械性能。含Cr 18%、Ni 9%的Cr?Ni不銹鋼是工業(yè)和民用中應(yīng)用最廣的耐蝕合金。鎳銅合金中的鎳大于30%~40%時(shí)，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(shù)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。

一些可以鈍化的金屬，當(dāng)從外部通入電流，電位隨電流上升，達(dá)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(guò)鈍區(qū)為止(如圖3-5)。

圖3-5一些金屬陽(yáng)極極化(鈍化)曲線

利用這個(gè)原理，以要保護(hù)的設(shè)備為陽(yáng)極導(dǎo)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(yáng)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(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，而是一種遠(yuǎn)離平衡的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)。陽(yáng)極保護(hù)法需要一臺(tái)恒電位儀以控制設(shè)備的電位(以免波動(dòng)時(shí)進(jìn)入活化區(qū)或過(guò)鈍化區(qū))。由于只適用于可鈍化金屬，所以這種方法的應(yīng)用受到限制。陽(yáng)極保護(hù)法在工業(yè)上用于生產(chǎn)、處理H2SO4、H3PO4、NH4HCO3溶液、NH4NO3復(fù)合肥等的不銹鋼或碳鋼制容器和設(shè)備等。

金屬電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，微型電池的陰極是接受電子產(chǎn)生還原反應(yīng)的電極，陽(yáng)極是失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，只有陽(yáng)極才發(fā)生腐蝕。陰極保護(hù)法就是將需要保護(hù)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(yáng)極法，后一種稱為外加電流法。犧牲陽(yáng)極法，就是電極電位較負(fù)(較活潑)的金屬或其合金連接在被保護(hù)的設(shè)備上，例如鋼鐵設(shè)備連接一塊Zn、Mg或Al合金，使它們?cè)谛纬傻脑姵刂凶鳛殛?yáng)極而被腐蝕，而使金屬設(shè)備作為陰極受到保護(hù)，這種被犧牲的陽(yáng)極須定時(shí)更換。外加電流法，是在體系中連接一塊導(dǎo)流電極(石墨、鉑或鍍釕、鈦、高硅鐵、廢鋼等)作為陽(yáng)極，當(dāng)外部導(dǎo)入的陰極電流，使局部陰極電流與局部陽(yáng)極電流相等、方向相反而相互抵消時(shí)，金屬腐蝕停止，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。陰極保護(hù)廣泛用于土壤和海水中的金屬結(jié)構(gòu)、裝置等，如管道、電纜、海船、港灣碼頭設(shè)施、鉆井平臺(tái)、水庫(kù)閘門、油氣井等。為了減少電流輸入，延長(zhǎng)使用壽命，陰極保護(hù)法一般和金屬表面涂料法聯(lián)合應(yīng)用，是一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便、行之有效的金屬防腐方法。

在可能引起金屬腐蝕的介質(zhì)中加入少量緩蝕劑就能大大減緩金屬腐蝕過(guò)程。緩蝕劑可分為無(wú)機(jī)緩蝕劑、有機(jī)緩蝕劑和氣相緩蝕劑三類。

有些無(wú)機(jī)緩蝕劑使陽(yáng)極過(guò)程變慢，稱為陽(yáng)極型緩蝕劑，如促進(jìn)陽(yáng)極鈍化的氧化劑(鉻酸鹽、亞硝酸鹽、Fe3+)或陽(yáng)極成膜劑(堿、磷酸鹽、硅酸鹽、苯甲酸鹽);另一類無(wú)機(jī)緩蝕劑是促進(jìn)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(yīng)中產(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(shí)阻滯陽(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)程的混合型緩蝕劑。有些溶液中的雜質(zhì)，如S、Se、As、Sb、Bi等化合物，能阻抑陰極放氫過(guò)程，使陰極極化增大，減緩腐蝕。緩蝕劑的用量一般要先通過(guò)試驗(yàn)才能確定。

有機(jī)緩蝕劑屬于吸附型緩蝕劑，它們吸附在金屬表面形成幾個(gè)分子厚的不可見(jiàn)膜，一般同時(shí)阻滯陽(yáng)極和陰極反應(yīng)，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(jī)化合物，如胺類、雜環(huán)化合物、長(zhǎng)鏈脂肪酸化合物、硫腺類、醛類、有機(jī)磷類等。緩釋劑的吸附類型有靜電吸附、化學(xué)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(xué)吸附劑有氮和硫雜環(huán)化合物;有些化合物同時(shí)具有靜電和化學(xué)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(jī)化合物。近年來(lái)，有機(jī)緩蝕劑發(fā)展很快，應(yīng)用廣泛，使用這些緩蝕劑也會(huì)產(chǎn)生缺點(diǎn)，如可能污染產(chǎn)品，可能對(duì)生產(chǎn)流程產(chǎn)生不利影響等。

氣相緩蝕劑多是揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)，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(tuán)，吸附在金屬表面使腐蝕減緩，一般用于金屬零部件的保護(hù)、貯藏和運(yùn)輸。它必須用于密封包裝內(nèi)，海洋油輪內(nèi)艙也可用它來(lái)保護(hù)。常見(jiàn)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。

如果能消除金屬材料和設(shè)備在使用環(huán)境中引起腐蝕的各種因素，腐蝕就會(huì)中止或減緩。但是多數(shù)環(huán)境條件是無(wú)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(chǎn)流程也是不能任意改動(dòng)的，這時(shí)可以調(diào)整局部環(huán)境。例如鍋爐進(jìn)水先去氧(加入脫氧劑Na2SO3和N2H4等)，可保護(hù)鍋爐管少受腐蝕;先除去密閉倉(cāng)庫(kù)進(jìn)入空氣的水分，可免貯存金屬部件生銹;在水中經(jīng)常加入堿或酸以調(diào)節(jié)pH至最佳范圍(通常接近中性)，可以防止冷卻水對(duì)換熱器和其他設(shè)備的結(jié)垢、穿孔;煉制石油的工藝中也常加堿或氨，使生產(chǎn)流體保持中性至弱堿性。

根據(jù)金屬材料的腐蝕數(shù)據(jù)，選擇對(duì)特定環(huán)境腐蝕率低、價(jià)格便宜、性能好的材料，是常用的、簡(jiǎn)便的控制腐蝕的方法，可以使設(shè)備獲得經(jīng)濟(jì)、合理的使用壽命。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)常常對(duì)腐蝕產(chǎn)生影響，所以正確的設(shè)計(jì)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(shí)，才能更完善地解決選材問(wèn)題。

適用于跟強(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。耐火磚襯里則可起隔熱作用。搪瓷耐酸性強(qiáng)，廣泛用于食品、醫(yī)藥等工業(yè)，可保證產(chǎn)品質(zhì)量。