鐵金屬腐蝕及防腐處理

1、鐵金屬在大氣中的腐蝕及原理鐵金屬在大氣中的腐蝕及原理摘要:本文根據(jù)鐵的化學(xué)性質(zhì)、大氣的成分,結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識(shí),分析了鐵在空氣中氧化腐蝕過(guò)程和原理,探討了在大氣中影響鐵及合金的主要因素。關(guān)鍵詞:鐵金屬氧化腐蝕大氣1 引言眾所周知,各種金屬工程材料都有一定的使用壽命。這是由于它們?cè)谑褂没虼娣诺倪^(guò)程中都會(huì)受到不同形式的直接或間接的損壞,如最常見(jiàn)的氧化腐蝕現(xiàn)象。金屬腐蝕是多種多樣的,習(xí)慣上把金屬或合金在大氣中由于氧、水分及其他物質(zhì)的作用而發(fā)生的腐蝕或變色稱(chēng)為銹蝕,這種腐蝕產(chǎn)物稱(chēng)為“銹”。例如鋼鐵在潮濕的大氣中與氧作用腐蝕生成棕褐色的鐵銹,它是一種含水的Fe2O3和FeO的化合物,其化學(xué)成份一般式可用

2、Fe2O3yFeOzH2O表示。銅氧化腐蝕后表面變綠即銅銹,如青銅器博物館出土的青銅器,經(jīng)過(guò)2500多年的氧化腐蝕,表面形成的翠綠色物質(zhì)。鐵及其合金是我們?nèi)粘Ｉ詈徒ㄖこ讨惺褂昧孔畲蟮慕饘俨牧?研究鐵在大氣環(huán)境中氧化腐蝕是鐵金屬及其合金腐蝕的重要形式,十分必要。2 大氣中的成分鐵容易腐蝕主要因?yàn)樗欠浅；顫姷慕饘僭?易與其他元素反應(yīng)形成化合物,純金屬鐵遇到大氣中的氧更容易發(fā)生氧化腐蝕,所以我們平常見(jiàn)到的鐵制品基本上是褐色。鐵金屬氧化的確切定義,可分為狹義氧化和廣義氧化兩種。狹義氧化,是指鐵與氧氣反應(yīng)生成氧化物的過(guò)程。廣義氧化,是指鐵與含氧、含硫、含鹵素、含碳、含氮等其他氣體反應(yīng)生成相應(yīng)的氧

3、化物、硫化物、鹵化物、碳化物、氮化物等化合物的過(guò)程。鐵及其合金材料在大氣環(huán)境中氧化腐蝕的外在因素主要包括以下幾個(gè)方面:(1大氣環(huán)境介質(zhì)組分:如氣相中的O2、H2O、CO、CO2、H2、N2、NH3、H2S、HCl等。(2大氣環(huán)境介質(zhì)的狀態(tài)因素:氣體分壓、流速、溫度、壓力、冷熱循環(huán)等。(3氧化還原循環(huán)。(4燃燒物與附著物:燃灰等積灰物。地球表面自然狀態(tài)的空氣叫做大氣。大氣中的主要成分是氮?dú)狻⒀鯕?、少量其他氣體和一定量的水分。在典型的農(nóng)村環(huán)境中,大氣成分接近于自然大氣的成分;而在城鎮(zhèn)工業(yè)環(huán)境中還有SO2、H2S、酸、堿、鹽揮發(fā)物以及粉塵等。鐵金屬、合金鋼及其構(gòu)筑物,在其加工制造、貯運(yùn)和使用過(guò)程中都

4、處于大氣環(huán)境之下。這些鐵金屬或構(gòu)筑物在大氣環(huán)境下發(fā)生的氧化腐蝕現(xiàn)象,就叫做大氣氧化腐蝕。3 鐵金屬在大氣環(huán)境中氧化腐蝕的歷程鐵金屬在大氣中氧化腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。這里只探討?yīng)M義的鐵金屬大氣氧化腐蝕歷程,按其化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散形式有以下三個(gè)過(guò)程。鐵金屬在大氣中初期氧化時(shí),當(dāng)鐵金屬與氧接觸碰撞后,首先是氧分子物理吸附在金屬表面上,進(jìn)而氧分子分解成原子并與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以化學(xué)鍵結(jié)合,生成一層單分子氧化物,即為金屬氧化膜,其后膜的成長(zhǎng)則具有電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。另外,如果鐵金屬的表面在潮濕的大氣中會(huì)很快吸附一層很薄的濕氣層即水膜,當(dāng)這層水膜達(dá)到2030個(gè)分子層厚度時(shí),就變成電化學(xué)腐蝕所必須的電

5、解液膜。在潮濕的大氣條件下,鐵金屬的大氣腐蝕過(guò)程具有電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)。這種電池,鐵金屬氧化膜界面作為陽(yáng)極,其反應(yīng):FeFe3+ + 3e 或FeFe2+ + 2e鐵氧化物膜氣體界面作為陰極,其反應(yīng):½O2 + 2eO2-總反應(yīng)式:2Fe +3O2Fe2O3或Fe +½O2FeO此時(shí),鐵氧化膜本身是既能電子導(dǎo)電,又能離子導(dǎo)電的半導(dǎo)體,其作用如同電池中的外電路和電解質(zhì)溶液。在電場(chǎng)作用下,電子可以有金屬通過(guò)膜傳遞給膜表面的氧,使其結(jié)合電子還原為氧離子,而氧離子和金屬離子在膜中又可以進(jìn)行離子導(dǎo)電,即氧離子網(wǎng)陽(yáng)極(鐵金屬與氧化物膜接界處遷移,而鐵離子往陰極(氧化物膜同氣體接界處遷移,

6、兩者在氧化膜某處,再進(jìn)行化和過(guò)程,從而使氧化膜逐漸增厚。從上述氧化過(guò)程來(lái)看,氧化膜同時(shí)具有以下作用:離子導(dǎo)體;電子導(dǎo)體;氧還原電極;離子和電子都必須通過(guò)的擴(kuò)散屏障。鐵主要通過(guò)Fe離子向外擴(kuò)散,氧化膜是在膜氣體界面上生長(zhǎng)?？墒怯捎阼F金屬離子向外擴(kuò)散,造成了鐵金屬膜界面處陽(yáng)離子空穴增多,同時(shí)氧化膜內(nèi)也存在著陽(yáng)離子空穴,這些空穴不僅可將鐵金屬離子向外輸送,而且也可將氧分子向內(nèi)輸送,于是膜可以在兩側(cè)生長(zhǎng),即在膜氣體界面上進(jìn)行的是鐵金屬離子和氧離子反應(yīng),而在鐵金屬膜界面則是由擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的氧分子與鐵之間的化學(xué)反應(yīng)。4 影響鐵金屬在大氣中腐蝕的主要因素4.1 大氣相對(duì)濕度的影響相對(duì)濕度表示大氣的潮濕程度,一般

7、來(lái)說(shuō),相對(duì)濕度越大,則越可能形成水膜,水膜保持的時(shí)間也越長(zhǎng),因此大氣腐蝕越容易發(fā)生。4.2 溫度和溫度變化的影響在一般情況下,隨著溫度的升高,可以使陰、陽(yáng)極反應(yīng)速度加快,加速了大氣腐蝕,單若溫度的升高足以使水膜干燥,則也可能降低大氣腐蝕速度。溫度變化即溫差的存在對(duì)大氣腐蝕的影響更大些,因?yàn)闇夭畹拇嬖跁?huì)促使水蒸氣在鐵表面上凝聚形成水膜,造成大氣腐蝕的條件。例如,白天溫度高,夜晚溫度低;有暖氣時(shí)溫度高,停止供暖時(shí)溫度低等，用汽油清洗零件以后，由于汽油的揮發(fā)吸熱使零 件溫度降低，在這種情況下，都可能使水蒸氣在金屬表面凝露形 成水膜，使腐蝕加速。因此，為了防止大氣腐蝕，在保管鋼材倉(cāng) 庫(kù)中，一般都要求在

8、一定溫度范圍內(nèi)保持恒溫。 4.3 酸、堿、鹽和其它氣體污染的影響 如果在水膜中含有少量 H+離子的話，它在陰極上的析出可加 速陰極過(guò)程；H+離子還會(huì)破壞鐵金屬表面的鈍化膜，因此會(huì)加速 鐵腐蝕。 OH-離子對(duì)鋼鐵的大氣影響不大。 水膜中或鋼鐵金屬表面上含有鹽類(lèi)，特別是含有 Cl-離子時(shí)， 由于 Cl-離子吸水性強(qiáng)，可增加液膜的導(dǎo)電性，同時(shí)還可以破壞氧 化膜或鈍化膜，因此可使腐蝕速度加快。 氣體污染中最具有害的是 SO2 活 H2S。它們可以直接參加陰 極反應(yīng)，使陰極反應(yīng)加快，同時(shí)又可使鐵金屬表面的鈍化膜溶解， 使陽(yáng)極反應(yīng)易于進(jìn)行，從而加快了大氣腐蝕速度。 4.4 灰塵顆粒的影響 空氣中經(jīng)常含有沙土、煤煙和煤灰、金屬氧化物和鹽類(lèi)的顆 粒，這些灰塵顆粒顆粒落在鐵金屬表面會(huì)加速腐蝕。這是因?yàn)椋?這些顆粒可造成毛細(xì)凝聚的核心， 加速形成水膜； 有的可吸附 SO2 等有害氣體，這些都會(huì)加速鐵金屬腐蝕。當(dāng)顆粒比較大時(shí)，與鐵 金屬表面形成縫隙，造成縫隙腐蝕。 5 小結(jié) 從鐵金屬氧化腐蝕的歷程分析可知，當(dāng)鐵金屬與氧的初始作 5 用或生成極薄的氧化膜時(shí)，起主導(dǎo)作用的是界面反應(yīng)，即將沒(méi)反 應(yīng)速度成為控制因素；但隨