金属防腐及其防腐蚀措施的研究

王杨松，王英丹，于帅，郭万元，孙洪涛，徐秀志

金属防腐及其防腐蚀措施的研究

王杨松，王英丹，于帅，郭万元，孙洪涛，徐秀志

（沈阳顺风新材料有限公司，辽宁 沈阳 110326）

随着社会的进步、经济的增长，金属在生产生活中的应用也愈发广泛。但是，金属自身易腐蚀性能使我们面临一项巨大的挑战，金属的腐蚀破坏了金属原有的形貌及功能，导致金属的应用受到一定的限制，对人们的生活产生一些影响，严重的情况甚至可能引起环境的污染以及安全方面的事故。本文对金属腐蚀的原因进行了分析，并对相应的防腐蚀措施进行了讨论。

金属； 防腐； 防腐蚀措施

金属是生活中必不可少的一种材料，其优异的性能使得它被广泛应用，大到建筑材料，小到家用锅碗瓢盆。金属材料虽然是目前应用的必要材料，但是资源上却不尽人意，金属资源的匮乏使得我们在应用金属材料的过程中应尽可能地保护金属。应用极其广泛的金属材料却面临着一个巨大的问题-腐蚀。在金属的应用中，腐蚀是不可避免的，金属的腐蚀破坏了金属的表面形貌的同时，又影响了金属的性能，被腐蚀的金属在应用的过程中便会具有一定的安全隐患，腐蚀是金属材料及其设备损坏和失效的重要原因之一，金属的腐蚀遍及国内外各个领域，给人们带来了巨大的经济损失。

1 金属的应用现状

金属材料是由元素周期表中金属元素组成，通常我们使用的纯金属、合金以及具有金属元素的材料被我们称之为金属材料。金属的认知来源于天空降下的陨石，从此铁被人们发现了，从当初的认知到后来的使用，甚至到现如今对金属的保护。金属的使用愈发广泛，金属材料在生活中扮演者重要的角色。在如今面临环保问题的中国，金属作为一种单一元素的物质或者几种元素的物质深受人们的喜欢，不含污染元素的金属被研究人员们深入研究[1]。在中国目前面临的环境问题的前提下，塑料、橡胶、木质等大部分材料应该被减少，从而减少环境的污染。所以我们需要发展金属材料，用金属材料替代其他材料。在建筑材料中，金属材料的作用是不可被替代的，现如今，我们用金属材料代替单一的混凝土结构和砖堆砌结构，既实现了建筑结构的高强度，又减少了木材、模板和水等资源的利用，又由于使用了轻质高强的金属材料，使其在稳定性和抗震性方面的性能优异。用金属材料，在减少多余资源利用，降低污染物的产生的同时，又能达到建筑结构的高强度。国内外用金属打造的建筑很多，目前许多地标式建筑都是由金属材料组成的，例如纽约的帝国大厦、法国的埃菲尔铁塔、日本东京的东京塔以及纽约世贸中信大厦等。这些使用金属材料而著名的金属建筑，目前已成为各国甚至世界上的地标性建筑。在国内，首都的鸟巢、国际机场、博物馆、亚运会体育馆、上海的杨浦大桥等，均为国内著名的金属建筑的代表作。但是我国的金属建筑方面，较之其他发达国家，仍处于落后的阶段。所以提高我国金属建筑也是我国发展经济的一大目标。不但如此，我国金属结构应用也不广泛，金属结构在住宅体系还未大范围推广，只利用在高层建筑和工业建筑两方面。然而发达国家的金属结构的住宅面积占总住宅面积的40%以上，以上种种现象都足以说明，在我国建筑金属结构行业中，存在着很大的应用领域和发展空间。随着社会的发展、时代的进步、人们生活水平的日益升高，金属建筑将愈发普及，金属应用也将越广泛。我国 2016 年钢铁产量已经达到 808.4 百万吨，稳居世界首位。随着国民经济的再次增长和发展，金属材料由于现如今的建筑行业的需求也会得到进一步发展，钢铁技术的发展必会迎来新的篇章，钢铁产量也将大幅度提升，金属材料在我国将会迎来蓬勃发展。

然而金属易受腐蚀性介质的侵蚀而遭到破坏，金属腐蚀不仅会造成经济上的损失，而且它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染等一系列巨大的危害。因此，对金属进行防腐蚀的防护具有重要的意义，所以现如今这已成为当今材料、工程等学科研究的重大课题之一。

2 金属腐蚀的概述

金属腐蚀是指金属在环境介质的作用下，金属表面由于化学反应、物理溶解或者电化学反应而产生的表面甚至结构的破坏，其本质是金属原子被氧化从而失去电子的过程。一般我们根据腐蚀机理不同进而将金属腐蚀分为电化学腐蚀和化学腐蚀两大类。电化学腐蚀：金属表面与环境介质中的离子发生电化学反应从而引起的腐蚀。化学腐蚀：金属或者合金在于环境介质的接触中（比如O2、SO2、H2O、酸雾等）直接发生的引起金属或合金表面甚至结构发生破坏或者失效的化学反应腐蚀。在这两类金属腐蚀中，电化学腐蚀占据大部分。腐蚀电池形成的主要原因：金属表面与环境介质接触，空气中的水分形成一层水膜吸附在金属表面，进而空气中的其他杂质例如CO2、SO2、NO2等物质溶解在这层水膜中，进而形成了电解质溶剂。在金属（以铁为例）中，除了含有自身拥有的铁元素之外，还含有类似碳等不如铁活泼的杂质，这样，铁与杂质构成了腐蚀电池，铁为阳极，杂质为阴极，阳极上铁失去电子变成亚铁离子（反应式1），阴极同时也会因电解质溶液的不同发生得到电子的反应，一般分为两类：在强酸性的溶液中进行的析氢腐蚀（反应式2），和在弱酸性或中性的溶液中进行的吸氧腐蚀（反应式3）。

阳极： 2Fe→2Fe2++4e-（1）

阴极（强酸性）：2H++2e-→H2（2）

阴极（中性）：2H2O +O2+4e-→4OH-（3）

3 金属腐蚀原因

金属是我们生活中常见的材料，金属建筑结构、机器零件、地下管道等。在现如今使用金属量愈发广泛的中国，金属的腐蚀是我们目前需要克服的一个重大难题，金属建筑结构的腐蚀导致建筑坍塌，机器零件的损失导致机器的损坏，地下运输通道的腐蚀导致气体及油液的泄露，所以说金属的保护是至关重要的。

3.1 土壤腐蚀

金属的应用很广泛，建筑、地下管道、机器等金属的使用，金属腐蚀的原因也大不相同。城市地下布设的管道是我们较常见的金属，我们可以利用金属管道运输气体及油液等物质，金属管道的腐蚀将会引起管道内物质的泄露，这将会引起不必要的资源浪费，甚至污染环境。因此我们对金属管道腐蚀进行分析。对金属管道表面腐蚀最常见的原因就是土壤对其的腐蚀，土壤中含有的物质较为复杂，不仅包含了土壤中的微生物，还包含了微生物分泌的分泌物等，大部分分泌物属于酸性、碱性和盐类等物质，并且大部分地下的土壤较为阴冷，所以其中含有大量的水分，当酸碱和盐等物质溶解在水分中，电解质溶液便形成了，进而促使金属发生腐蚀现象[1]。

3.2 杂散电流腐蚀

电在生活中无处不在，比如脱衣服、梳头等摩擦起电，空气中微弱电流的传导，无论是距离金属远近的电，这些电都会影响金属的防腐蚀保护，杂散电流的导入会与金属发生离子的交换等一系列化学反应，最终导致金属材料被腐蚀，影响金属材料的正常使用。

3.3 酸雨及空气腐蚀

空气不是一个无菌环境，随着空气的流动，土壤、建筑、水中的微生物会随着空气传播到金属表面，随着时间的流逝，金属材料表面逐渐被腐蚀。降雨是常见的天气，很多金属会裸露在雨天里，与空气和雨水直接接触，雨水成分复杂，并且在滴落的过程中，与空气接触，空气中部分物质溶于雨水中，雨水作为溶剂附着在金属表面，雨水中的物质作为电解质会与金属之间发生电化学反应，从而腐蚀金属。尤其是环境恶化的城市下雨时，时常会形成酸雨，再当酸雨接触金属时，便发生酸雨对金属的腐蚀情况，而空气中的氧气还会加速金属的氧化反应，从而加快金属的腐蚀情况，影响金属的质量，从而影响金属的使用寿命。

3.4 金属材料结构因素

除了以上所发生的腐蚀情况类型外，金属的自身结构也会一定程度上影响金属的腐蚀，不同的金属自身性质也大不相同，金属的纯度也会影响金属自身的腐蚀情况，内部杂质会和外部介质里应外合地腐蚀金属。由于各厂商对金属材料的制作工序以及制作标准不同，金属设计和制作技巧也大不相同，从而不同程度上腐蚀金属，影响金属材料的正常使用。

4 金属结构的防腐蚀方法

金属在应用的作用不同，金属内部的杂质也大不相同，因其自身的结构，导致电化学电池的形成，从而影响金属的防腐蚀保护。金属以及合金材料的腐蚀主要是由于金属表面与外界环境介质的接触，介质与金属之间相互作用，从而导致金属失去电子，金属表面甚至结构被破坏，所以金属腐蚀不但和金属自身结构、自身性质(结构、表面状态、成分等)有关，还与环境介质（离子浓度、酸碱度、湿度等）有关[2]。到目前为止，金属防腐蚀一般有三条思路：（1）使用具有包覆效果的物质包覆在金属表面形成包覆层，阻断金属表面与环境介质的直接接触以及间接接触；（2）改变金属的腐蚀电位，使金属受到电子的保护，处于不易腐蚀的状态；（3）直接对金属做出改变，改变金属自身的性质，以提高金属的耐腐蚀性[3]。根据目前金属腐蚀的原因，国内外对金属腐蚀保护技术有了以下几种方法。

4.1 金属受包覆保护层保护法

金属腐蚀主要原因就是金属表面与环境介质的接触，为了隔绝金属表面与环境介质的直接接触，我们在使用的金属表面包覆一层保护层，包覆金属的保护方法主要有涂刷防腐涂料以及通过电镀的方式：（1）使用防腐涂层，通常我们涂刷含有有机环氧树脂聚氨酯等有机防腐涂料，使用防腐涂料主要防腐机理是在金属表面包覆一层涂料，从而将金属表面和环境中的腐蚀介质隔离，起到了防止金属腐蚀的目的，进而金属的使用寿命得到增长。（2）使用电镀是利用化学反应中的电解原理，其机理是在金属材料表面镀上一层金属镀层覆盖膜，从而防止金属失去电子而引起的金属氧化（如锈蚀）的作用。与涂刷涂层相似，但本质上又不同于涂刷涂层。例如，利用电镀工艺得到的装饰物件的外层膜。

4.2 电化学保护法

金属受到腐蚀的原因部分是因为金属失去电子，电化学保护法的主要原理就是利用电化学使金属单质或者金属合金不能失去电子，把被保护的金属作为可以发生还原反应的阴极，已达到解决金属在阳极失去电子的腐蚀原电池反应[4]，根据以上条件，具体实施方法为：（1）外加电流法，外加电流法是利用高中化学中的电解池原理，将被保护的金属作为电解池的阴极，附加电极为阳极，两者构成电解池的阴阳电极，在附加直流电的通入下，阴极金属得到保护，阻止金属材料失去电子，从而防止金属腐蚀。（2）牺牲阳极保护法，该方法与外加电流法极其相似，都是将被保护的金属作为阴极，但本方法是利用原电池装置，将一块电极电势更负（更容易失去电子）的金属材料或合金作为原电池的阳极，两者构成了原电池的阴阳两极，使得阴极被保护的金属得到了保护，阻止金属被腐蚀。

4.3 添加缓蚀剂

缓蚀剂是一种存在于环境介质中，能起到减缓金属腐蚀甚至抑制金属腐蚀的一类复合物，因此我们称之为腐蚀抑制剂。它的用量很小，添加微量或少量缓蚀剂就可以使金属在该介质中腐蚀速率明显减慢甚至不腐蚀，可适用于不同酸碱条件的环境下，添加缓蚀剂后不影响金属材料的物理性能、力学性能以及其他性能。缓蚀剂一般分为三类：

（1）阳极型缓蚀剂，阳极缓蚀剂的抑制原理是利用缓蚀剂与金属离子在金属表面的阳极区域发生反应，其优点是用以生成氧化物或氢氧化物覆盖在金属表面，形成一层防止腐蚀的保护膜，抑制了金属失电子而向水中溶解，使阳极反应被抑制。但是该缓蚀剂也有一定的缺点，虽然缓蚀剂的添加量很小，但为了钝化全部阳极，需要保持溶液具有足够高的浓度，如若浓度不够，会发生部分未被钝化的阳极区域出现点蚀现象，从而以点腐蚀金属。具有代表性的阳极缓蚀剂有亚硝酸盐、酸盐和钼酸盐等。

（2）阴极型缓蚀剂，阴极缓蚀剂其防腐机理是利用阴极的溶液发生的电子反应，析出阴极附近溶液中的物质，在阴极的金属表面形成一层防止阴极金属腐蚀的阴极区沉积膜，随着膜的增厚，阴极还原反应逐渐被抑制。其缺点是，该缓蚀剂需在阴极形成沉积成膜，需要一定的时间，因此会影响金属的前期腐蚀。目前，应用较广的阴极型缓蚀剂主要有锌的碳酸盐、磷酸盐和氢氧化物等。

（3）混合型缓蚀剂，混合型缓蚀剂是化学物质分子中含有两种性质相反的极性基团的有机缓蚀剂，其一般是某些含硫或者含氮等含有表面活性的有机缓蚀剂，能够使缓蚀剂同时在金属的阴阳两极吸附在清洁的金属表面形成单分子膜，可同时在阴阳两极形成保护膜，阻止金属与水中溶解氧以及其他介质通过水溶液向金属表面扩散，从而起到缓蚀作用，进而抑制金属发生腐蚀现象。常用混合型缓蚀剂有巯基苯并噻唑（MBT）、苯并三唑、十六烷胺等。

4.4 改变金属内部的结构或成分

除了通过以上方式之外，我们也可以通过在金属中添加或者减少一些元素（金属元素或者非金属元素）的含量，借此来提高金属其本身的耐腐蚀性能，使其化学性质更稳定，抑制腐蚀的发生，例如向碳钢中添加镍、镉、钛等元素形成不锈钢；或者减少碳钢中碳元素的含量，并添加某些元素形成双相不锈钢、超低碳不锈钢等。前者通过钢与其他金属元素形成合金，使其化学性能更加稳定，而后者则是提高了碳钢的抗氧化性能。

5 结 论

近年来，金属腐蚀与防腐蚀措施在国内外成果璀璨，据相关部门报道，现如今如果将金属腐蚀以及防腐蚀措施得到普及，金属腐蚀现象将大幅度下降，可使腐蚀损失至少减少40%。

现代防腐蚀技术正在进一步提高，随着使用金属的人群越来越多，人们对金属腐蚀将会越来越重视，大到金属建筑结构，小到家用锅碗瓢盆，这可以加速我们对金属防腐蚀科学技术的普及，进一步加大金属防腐蚀科学技术在各种领域的实际应用，金属防腐不仅可以减少金属腐蚀带来的损失，也可以保障人们在使用金属材料时的人身安全，对我国现代化建设的发展影响深远，是节约国家资源，减少污染，降低安全隐患，提高金属应用的有效途径。

［1］古德生，周科平.现代金属矿业的发展主题[J].金属矿山，2012（7）：1-8.

［2］尹桂勤，张莉华，常守文，等.土壤腐蚀研究方法概述[J].腐蚀科学与防护技术，2004（6）：367-370+374.

［3］包月霞.金属腐蚀的分类和防护方法[J].广东化工，2010，37（7）：199+216.

［4］谢春峰.金属腐蚀原理及防护简介[J].全面腐蚀控制，2019,，33（7）：18-20.

Research on Metal Corrosion Prevention and Corrosion Prevention Measures

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（Shenyang Shunfeng New Material Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110326, China）

With the progress of the society, economic growth, the application of metal in production and life is increasingly extensive,. However, the metal corrosion makes us face a huge challenge. The corrosion of metal destroys the original appearance and function of metal. As a result, the application of metal is restricted to some extent and even has some impact on people's life. Serious cases may even cause environmental pollution and safety accidents. In this paper, the causes of metal corrosion were analyzed, and the corresponding anti-corrosion measures were discussed.

metal; corrosion; anti-corrosion measures

2019-09-22

王杨松(1983-)，男，硕士，中级，研究方向：水性涂料，纳米填料。

TQ050.9+1

A

1004-0935（2020）03-0315-04