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打call表面处理材料表面处理材料表面处理材料防护措施的发展状况

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打call表面处理材料表面处理材料表面处理材料防护措施的发展状况

发布日期:2019-05-09 作者:表面处理材料 点击:

  金属单质及其合金是应用最为广泛和最重要的工程材料。广义的金属腐蚀是指材料与环境间发生反应而导致材料的破坏及其性能恶化,而狭义的腐蚀则指金属与环境介质间发生的物理、化学作用而使金属性能发生变化,并导致金属、环境及其构成体系的功能受到损伤的现象。金属腐蚀的破坏不像地震、海啸、台风那样在短暂瞬间内造成巨大灾害,而是无时无刻不在静悄悄地吞噬金属,由此造成的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震( 平均值) 等损失的总和。据报道,全世界每年因腐蚀而报废的金属材料约占当年金属生产量的 1/10,我国每年因受腐蚀而不能回收利用的钢铁达 1000 多万吨。不仅如此,因腐蚀造成的间接损失诸如停工减产、物料流失、环境污染等比腐蚀本身的直接损失还要大很多。因此,研表面处理材料的腐蚀规律并采取有效的防护措施,是极其重要的。

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  1.表面处理材料腐蚀与腐蚀机理

  金属材料腐蚀可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和生物腐蚀等几种类型,其中电化学腐蚀是防腐蚀领域中最重要的研究对象,是指金属在水溶液中形成电池而引起的腐蚀。根据电化学腐蚀的机理,在水溶液中,由于不同金属的电位差,可以产生微电池效应而导致腐蚀的发生;即使同一金属板,由于其内部应力的差异、焊缝成分的不同、电解质溶液中的浓度差、温度差、氧浓度差等,都可以产生电位差而导致腐蚀。如果没有氧气存在,在阴极区的+H会被耗尽,产生阴极极化,钢铁发生的电池反应会很快结束。而在阳极区由于+2Fe的积累而产生阳极极化。但是在有氧气存在的条件下,阴极发生氧化还原反应,这样阴极反应不再与H+浓度有关,腐蚀反应可以继续进行下去。腐蚀的电池反应可归纳如下:

  阳极:Fe →+2Fe+2e

  阴极:2+H+2e→ 2H→2H (酸性溶液的析氢反应)

  2O+4+H+4e →2OH2 (酸性溶液的还原反应)

  O+2OH2+4e→ 4-OH (中性或酸性介质中的还原反应)

  2.金属材料的防护措施

  2.1 隔离法

  微电池作用是造成金属腐蚀的主要原因,构成电池必须同时具备阴阳两极。因此,防治金属腐蚀的第一大对策就是将金属(阳极)和其它介质(阴极)隔离开来,使之构不成电池。常采用的隔离方法有涂层法、钝化法和电镀法等。

  2 2.1.1涂层法

  涂层防腐在我国和世界其它国家已有悠久历史,涂料涂层防腐蚀也是最有效、最经济、应用最普遍的方法。涂层防腐不仅保护金属不受环境的侵蚀,同时赋予美观(汽车漆)、号志(港湾机械危险部位需醒目橘红色)、伪装(战车等武器)等作用。具有施工简便、适应性广、不受设备面积和形状约束、重涂和修复方便等优点。30年前,人们一直认为涂料防腐蚀机理是在金属表面形成一层屏蔽涂层,阻止水和氧与金属表面接触。但大量研究表明,涂层总有一定的透气性和渗水性,涂料透水和氧的速度往往高于裸露钢铁表面腐蚀消耗水和氧的速度,涂层不可能达到完全屏蔽作用。目前应用较多的防腐涂料主要有酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯、乙烯树脂、过氯乙烯树脂、呋喃树脂、橡胶类等,随着防腐要求的不断提高,这些树脂已不能满足实际应用的要求。因此,近年来国内外开发出了新型含氟树脂、聚苯硫醚树脂、聚氯醚树脂、聚苯胺树脂等一系列新的防腐涂料。

  2.1.2钝化法

  钝化是一种电化学现象,当金属在一定的环境中由于显著的电位提高而产生强的抗蚀能力,该金属就发生了钝化。钝化工艺总体上可分为形成氧化性膜和沉积性膜(吸附膜)两类钝化工艺。前者是使用具有氧化性的钝化剂进行处理,使钢铁表面形成致密的氧化铁膜,合金钢中形成氧化铁膜和含铬的氧化性膜。后者是利用各种无机盐的溶液对金属进行处理,由于各种不同的金属盐在水中的溶度积不同,形成的难溶盐在金属表面沉积而形成致密的钝化膜。根据常用钝化剂种类,钝化工艺可分为磷酸及磷酸盐工艺、磷酸及聚磷酸盐工艺、有机膦酸工艺、亚硝酸盐工艺、联胺及各种有机除氧剂工艺等。这些工艺都存在一些问题,比如pH值高、钝化剂具有毒性等。

  双氧水无毒性,是一种环保药剂,与其他的钝化剂相比,具有更优异的发展前景。其工艺为:在用柠檬酸漂洗后控制铁在200 mg/L以下,温度50e以下,用氨水调节pH值9~10,加入双氧水得到014%浓度的溶液后,循环钝化6 h左右,后期控制双氧水浓度在011%左右,但不能过低。其缺点是:双氧水工艺对水质要求高,高pH值条件下双氧水易分解,铁离子对其影响大,其效果有时不如其他氧化性钝化剂,尚不能全面替代其他钝化剂。

  2.1.3 电镀法

  对于电镀镀层,可分为阳极性镀层和阴极性镀层两种。前者是指镀上去的金属比被保护的金属有较低的电极电势,比如把锌镀在铁上(锌为阳极,铁为阴极),后者是镀上去的金属比被保护的金属有较高的电极电势,比如把锡镀在铁上(锡为阴极,铁为阳极)。当镀层完整时,这两种镀层的作用都是将被保护金属与腐蚀介质分离开来。阳极性镀层由于被保护的金属是阴极。即使损坏,受腐蚀的也是镀层本身,被保护的金属则仍不受腐蚀;阴极性镀层由于被保护的金属是阳极,一旦损坏,受腐蚀的将是被保护的金属,此时,镀层的存在反而加速了被保护金属的腐蚀。

  2.2 缓蚀剂法

  缓蚀剂法是一种常用的防腐蚀措施,在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂就能和金属表面发生物理化学作用,从而显著降低金属材料的腐蚀。由于缓蚀剂在使用过程中无须专门设备,无须改变金属构件的性质,因而具有经济、适应性强等优点,广泛应用于酸洗冷却水系统、油田注水、金属制品的储运等工业过程中。

  缓蚀剂分为无机盐(如硅酸盐、正磷酸盐、亚硝酸盐、铬酸盐等)和有机物(一般是含N、S、O的化合物如胺类、吡啶类、硫脲类、甲醛、丙炔醇等)。缓蚀剂的作用是通过吸附与腐蚀产物生成沉淀而覆盖在金属电极表面形成保护膜,从而减缓电极过程的速度,达到缓蚀的目的。缓蚀剂也可分为阳极缓蚀剂和阴极缓蚀剂。阳极缓蚀剂是直接阻止阳极表面的金属进入溶液,或在金属表面上形成保护膜,使阳极免于腐蚀。如果加入缓蚀剂的量不足,阳极表面覆盖不完全,则导致阳极的电流密度增大而使腐蚀加快,故有时也将阳极缓蚀剂称为危险性缓蚀剂。阴极缓蚀剂主要抑制阴极过程的进行,增大阴极极化,有时也可在阴极上形成保护膜。阴极缓蚀剂则不具有危险性。随着社会进步和人类环保意识的增强,缓蚀剂的开发和运用越来越重视环境保护的要求。绿色化学及其技术将广泛应用于腐蚀防护领域。

  2.3 电化学保护法

  电化学保护是金属腐蚀防护的重要方法之一,其原理是利用外部电流使被腐蚀金属电位发生变化从而减缓或抑制金属腐蚀。电化学保护可分为阳极保护和阴极保护两种方法。阳极保护是向金属表面通入足的阳极电流,使金属发生阳极极化即电位变正并处于钝化状态,金属溶解大为减缓。阴极保护是向腐蚀金属表面通入足够的阴极电流,使金属发生阴极极化,即电位变负以阻止金属溶解。阴极保护根据电流来源不同分为外加电流法和牺牲阳极法两种方法。前者是利用外加电源,将被保护金属与电源负极相连,通过辅助阳极构成电流回路,使金属发生阴极极化。后者则是将被保护金属与电位更负的牺牲阳极直接相连,构成电流回路,从而使金属发生阴极极化。

  采用牺牲阳极法进行阴极保护时,保护效果好坏与牺牲阳极材料本身的性能有着直接关系。牺牲阳极材料必须具备以下条件:(1)电位负,极化小。牺牲阳极的电位一定要比被保护金属的电位更负,以保证被保护金属发生显著的阴极极化。同时,在工作过程中,牺牲阳极的电位变化要小,不能随着输出电流增加发生较大改变;(2)单位质量的阳极放出的电量大;(3)阳极腐蚀小、电流效率高,阳极溶解时产生的电流大部分用于被保护金属的阴极极化;(4)溶解均匀性良好;(5)价格低廉,来源广泛,加工方便。目前研制成功并被广泛用于钢铁设施阴极保护的牺牲阳极材料有3大类:镁阳极、锌阳极和铝阳极。外加电流法将被保护金属与另一附加电极作为电池的两个极,使被保护的金属作为阴极,在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。

  3.展望

  随着科学技术的进步,对工业应用材料的要求越来越高,特别是金属材料的防腐蚀尤其受关注。表面处理材料腐蚀防护常用的隔离法、缓蚀剂法、电化学保护法等只能防护,不能从根本上根治金属的腐蚀问题,同时这些防护方法存在使用成本高、污染环境、应用环境受限制等问题。因此,研究开发新的特种合金、新型陶瓷、复合材料等耐腐蚀材料,是从根本上治理腐蚀问题的最好途径。


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