當金屬與周圍介質接觸時,由于發生化學作用和電化學作用而引起的破壞叫金屬(shu)腐蝕。金屬腐蝕現象十分普遍,所造成的損失也很大。1981年對我國七個部門兩百多個工廠、企業進行的調查表明,因腐蝕造成的直接損失占各工廠、企業總產值的4%~5%,相當于基本建設的總投資。
金(jin)屬的(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi),按機理不同和(he)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)過程的(de)特點,可分為(wei)物理腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)、化學(xue)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)與電化學(xue)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。在工(gong)程實際應(ying)用中的(de)金(jin)屬腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi),絕大多數都屬于化學(xue)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)和(he)電化學(xue)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)兩大類。
①. 化學腐(fu)蝕
單純由化學(xue)作用引起的(de)腐(fu)蝕叫做化學(xue)腐(fu)蝕,化學(xue)腐(fu)蝕是(shi)沒有(you)電流產生(sheng)的(de)腐(fu)蝕過(guo)程。金屬在高(gao)溫下和干(gan)燥(zao)的(de)氣(qi)體接觸,或在非電解質環境中,一般產生(sheng)化學(xue)腐(fu)蝕。例如,在軋制鋼筋(jin)的(de)過(guo)程中,鋼筋(jin)表面的(de)“鐵(tie)皮(pi)”就是(shi)鐵(tie)在高(gao)溫下被空(kong)氣(qi)氧化(腐(fu)蝕)生(sheng)成的(de)產物(見圖1-1)。由各(ge)種(zhong)氧化物組成的(de)鐵(tie)銹很疏松,沒有(you)保(bao)護鋼鐵(tie)不再被腐(fu)蝕的(de)能力。
金屬在非電解質(如(ru)苯、無水(shui)酒精(jing)、石油(you)等)溶(rong)液(ye)中也會(hui)產生化學腐蝕(shi)。例如(ru),在石油(you)中含有(you)多種有(you)機硫化物,它們對(dui)金屬輸油(you)管及容器也會(hui)產生化學腐蝕(shi)。
②. 電(dian)化學(xue)腐蝕(shi)
當金屬和(he)電(dian)(dian)解質溶液(ye)接觸時,由電(dian)(dian)化(hua)學作用引(yin)起(qi)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)叫(jiao)做電(dian)(dian)化(hua)學腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。電(dian)(dian)化(hua)學腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)是有(you)電(dian)(dian)流產生(sheng)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)過程,它和(he)化(hua)學腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)不同(tong),這種腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)是由于形(xing)成原電(dian)(dian)池(chi)(腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)電(dian)(dian)池(chi))引(yin)起(qi)的(de)。在(zai)這種腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)電(dian)(dian)池(chi)中,負極上進(jin)行(xing)氧化(hua)反應(ying)(ying),通(tong)(tong)常(chang)叫(jiao)做陽極(在(zai)討論腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)問題時,通(tong)(tong)常(chang)稱(cheng)(cheng)陰、陽極,而不稱(cheng)(cheng)正(zheng)、負極);正(zheng)極上進(jin)行(xing)還原反應(ying)(ying),通(tong)(tong)常(chang)叫(jiao)做陰極,參見圖1-2。
當鋼鐵暴露在潮濕的空氣中時,表面會形成一層極薄的水膜。空氣中的CO2、SO2等氣體溶解在水膜中,使其呈酸性。而通常的鋼鐵并非純金屬,常含有不活潑的合金成分(如Fe3C)或能導電的雜質。它們星羅棋布地鑲在鐵質的基體上,形成許多微小的腐蝕電池(微電池)。鐵為陽極,Fe3C或雜質為陰極。由于陰、陽極彼此緊密接觸,電化學腐蝕作用得以不斷進行。陽極的鐵被氧化成FFe2+進入水膜,同時電子移向陰極;H+在陰極(Fe3C或雜質)結合電子,被還原成氫氣析出。水膜中的Fe2+和由水離解出的OH-結合,生成Fe(OH)2。Fe(OH)2及其脫水產物Fe2O3是紅褐色鐵銹的主要成分。這種腐蝕過程中有氫氣析出,所以叫做析氫腐蝕。當介質的酸性較強時,鋼鐵發生析氫腐蝕。
當介質呈中性或酸性很弱時,則主要發生吸氧腐蝕。這是一種“吸收”氧氣的電化學腐蝕。此時,溶解在水膜中的氧氣是氧化劑。在陰極上,O2結合電子被還原成OH-;在陽極上,鐵被氧化成Fe2+。Fe2O3進一步被空氣中的O2氧化成Fe(OH)3,所得的產物與析氫腐蝕相似。由于O2的氧化能力比H+強,故在大氣中金屬的電化學腐蝕一般是以吸氧腐蝕為主。
金屬表面常因氧氣分布不均勻而引起腐蝕。例如,一段插入水中的鋼鐵支柱,接近水面的溶解氧的濃度較大(或分壓較大),而深入水中的溶解氧濃度較小(或分壓較小)。當氧的分壓(或濃度)愈大時,相應的電極電位代數值愈大,O2的氧化能力愈強。反之,則O2的氧化能力愈弱。這種腐蝕反應和吸氧腐蝕相同,只是發生的部位不同。這就說明浸入水中的鐵柱上的鐵銹雖然在近水面處,然而銹蝕卻發生在水下的一段上。這種由于氧濃度不同而造成的腐蝕,叫做濃差腐蝕(也稱作差異充氣腐蝕)。濃差腐蝕是金屬腐蝕中常見現象。如埋在地下的金屬管道的腐蝕、海水對船塢的“水線腐蝕”等。其中點腐蝕現象有它的特殊性,危害也較嚴重。
當一塊鋼板暴露在潮濕的空氣中時,總會形成一層Fe2O3薄膜。如果該膜是致密的,則可以阻滯腐蝕過程。若在膜上有一小孔,則有小面積的金屬裸露出來,這里的金屬將被腐蝕。腐蝕產物(Fe2O3、Fe3O4等)疏松地堆積在周圍,把孔遮住。這樣O2難于進入孔內,又會產生濃差腐蝕。同時孔內的H+濃度增加,使小孔內的腐蝕不斷加深,甚至穿孔。點腐蝕是一種局部腐蝕現象,常常被表面的塵土或銹堆隱蔽,不易發現,因而危害性更大。