机械加工中金属材料腐蚀与防护措施

徐俊阳，陈 晨

（1. 沈阳富创精密设备有限公司，辽宁 沈阳 110000 ；2. 吉林安德电化科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

当机械加工中金属材料出现了腐蚀现象时，说明该金属材料的自身强度已经降低了，从而导致机械加工中以金属为主要成份的设备的机械性能有所降低，使用寿命大幅度缩短，造成一定程度的经济损失或者工作失误。近两年来，根据相关调查数据显示，每年我国机械加工中金属材料腐蚀引起的经济损失达到了将近两万亿元，而在全球，每年由于金属材料腐蚀产生的经济损失金额已经庞大到难以估计了。机械加工中金属材料腐蚀不仅造成了大幅度的经济损失，由于金属材料腐蚀严重，导致加工工作中断，重新寻找材料加工，在这一过程中，又需要消耗大量的能源，既增加了时间成本，又造成了大量的不可再生能源损耗。另外，金属材料腐蚀后，对于水资源和土地资源都会有一定的污染，污染程度大的时候可能会产生更加难以预料的经济损失，甚至会危及到生物的生命安全。所以，对机械加工中金属材料腐蚀的防护是迫在眉睫的工作，防护措施的提出基于使金属材料腐蚀的电化学反应、化学反应以及物理反应等其他造成金属材料腐蚀的原因，展开研究。

1 机械加工中金属材料腐蚀的原因

机械加工中的金属材料主要通过形成金属氧化物[1]这一过程实现对于低能量状态的趋近，并且保持性能逐渐稳定。金属材料中最具有代表性的稳定金属，金、银两种材料在原始环境下就以氧化物的状态呈现了。然而，金属材料在氧化物状态下，难以得到使用，所以在进行机械加工之前，必须对其进行复杂的提取，才能得到有用的金属材料。当还是氧化物状态的金属材料被提取之后，稳定性就会下降，便极容易发生腐蚀，影响机械加工的进程，并且造成经济损失。金属材料产生腐蚀的原因主要为电化学腐蚀、化学腐蚀以及其他腐蚀这三大类，其中，机械加工中金属材料的化学腐蚀和电化学腐蚀产生的环境类型最为复杂，如表1 所示。

在不同温度的加工环境下，两种金属腐蚀的腐蚀部位和环境成分均不同，具体的腐蚀类型可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

1.1 电化学腐蚀

机械加工中，金属材料电化学腐蚀一般是产生于比较潮湿的环境中，金属材料与潮湿环境中的物质发生了氧化还原反应，电化学腐蚀主要发生的是析氢反应[2]，以铁为例，反应方程式为：

式中，e 为电子，发生氧化还原反应后，氢离子得到电子生成氢气。在干燥的空气中，金属是不容易生锈的，因为必须在高温条件下，铝 2Cl 和二氧化硫 2SO 才会与铁Fe 在氧气 2O 的作用下发生化学反应。而在潮湿的环境中，空气中的二氧化碳 2CO 、二氧化硫 2SO 、硫化氢 2H S 等一些酸性气体会与水滴融合，从而形成能够促使金属发生析氢腐蚀的弱酸性电解质，并且生成微电流，进而产生电化学腐蚀。

1.2 化学腐蚀

金属材料化学腐蚀是在金属表面与非电解质液或者其他介质之间直接发生了化学反应，其中没有产生电流，反应速度随着金属活泼性的递增而逐渐增快，并且环境中的温度越高、氧化剂浓度越大，越容易发生腐蚀。以活泼金属铜为例，铜的氧化方程式为：

表1 机械加工中金属材料的化学腐蚀和电化学腐蚀环境

式中，Cu 为铜元素，2O 为氧气，CuO 为氧化铜，铜Cu 直接把电子传递给了氧气 2O 这一类的氧化剂，从而发生化学腐蚀。

1.3 其他腐蚀

机械加工中金属材料腐蚀的原因除了主要的电化学腐蚀和化学腐蚀之外，还有少数情况下的晶间腐蚀，也就是在金属材料的晶界产生局部腐蚀现象，这种腐蚀情况下，金属的表面没有明显变化，但是由这类金属组成的机械的性能会明显下降。另外机械加工中金属材料腐蚀还有经常发生的磨损腐蚀和应力腐蚀，在潮湿环境下，金属材料与流体之间不断的机械性摩擦十分容易造成金属腐蚀。在机械加工过程中，金属材料一直处于受力状态，一般表现为拉伸力、震动力和交变应力等，在潮湿环境下，这些力直接对金属材料产生作用，使其出现腐蚀现象。

2 机械加工中金属材料腐蚀防护措施

2.1 合理选择金属材料

在机械加工中，最直接的防护金属材料腐蚀的措施就是在进行加工之前，合理选择金属材料，从根本上防护。在使用金属材料前，首先，调查清楚该金属材料加工时所处的环境，和该金属材料容易产生腐蚀现象的因素，确保该金属材料所处的加工环境不会增加其腐蚀速度。另外，金属材料的加工环境必须随着材料的不同而改变，例如对于容易发生高温氧化腐蚀的金属材料，要避免在高温环境下进行加工，对于在潮湿环境中容易发生腐蚀的金属材料，在其加工时，应该尽量保持环境的干燥，从而实现减少金属腐蚀。随着工业技术的进步，可以直接对金属材料进行优化，降低其腐蚀性，可以在原始金属材料中添加抑制腐蚀的相关元素，提高其耐腐蚀性，例如在碳钢金属材料中加入铬元素之后，该材料的耐腐蚀性会大幅度提升。

2.2 采用电弧喷涂

电弧喷涂[3]防止金属材料腐蚀，就是在进行机械加工前，采用电弧喷涂相关的电源，分别把电源的两根金属丝连接到电弧枪的端点处，在两者接触的一瞬间会发生电弧熔化现象，并产生高温液滴，此时，对其进行雾化或者压缩，并将其喷涂到金属材料的表面，从而在金属材料的表面直接形成保护涂层。如图1 所示。

这一方法中，金属丝熔化时，其温度能够达到6000 摄氏度，极高的温度降低了高速型喷涂颗粒和半熔化金属丝产生，当高温度的喷涂粒子撞击到图层上时，涂层与基体直接强势结合，保证了该电弧涂层的强大的牢固性，能够使其在弯曲和被激烈碰撞的情况下，依然保持完整性，不会发生脱皮的现象。另外，电弧喷涂层有很高的防腐作用，在极易发生腐蚀的环境下，即使金属材料的防腐涂层已经发生了破损，该涂层仍然具有保护下面的金属材料的作用，能够有效地阻止腐蚀进一步蔓延。

图1 电弧喷涂原理

2.3 采用阴极保护法

阴极保护法是以电化学反应为基础，将机械加工中金属材料腐蚀的部分转化为电池的阴极。而阴极保护法可以细分为两种相反的方法，一种是牺牲阳极保护阴极法，另一种是直接外加电流保护阴极。在机械加工中，比较适用的方法是牺牲阳极保护阴极法，所用金属材料为铝、锌等比较稳定的合金金属，用金属材料中的电极电势低于被保护金属的材料做阳极，使其形成腐蚀电极，从而保护了作为阴极的金属。需要注意的是，在进行该方法时，需要充足的电位，并且保证作为阳极的金属的极化率足够小，其表面不能生成抗腐蚀的保护膜，且阳极溶解过程必须均匀，以保证整个过程实现最高效，达到最佳腐蚀防护效果。

2.4 表面涂料

表面涂料是最直接的物理金属材料腐蚀防护方法，就是直接在金属材料的表面涂上油漆，形成油漆涂层进行腐蚀防护。在金属材料表面形成油漆涂层之后，就相当于直接把金属材料与外界的诱发化学反应的介质阻断开，从而阻止其中的电子交换，降低金属材料出现腐蚀。另外，对于油漆涂层的选择应该根据金属材料的特性和机械加工的环境进行灵活变更，进行表面涂料前，需要根据金属特性和加工环境选择适当的油漆，在机械加工过程中，及时对油漆图层进行维护和修复，定期对其进行检查，延长该图层的使用寿命，进而延缓该金属材料的腐蚀。

2.5 加入缓蚀剂

用缓蚀剂防止机械加工中金属材料腐蚀是最方便的一种措施，该方法是将缓蚀剂直接喷在金属材料表面，使缓蚀剂与金属材料本身发生作用，在金属材料表面形成保护膜，防止继续腐蚀。采用缓蚀剂腐蚀防护法时，不需要改变机械加工的环境，不需要改变金属材料本身的结构和特性，操作简单，效果迅速，即经济又实用。值得注意的是，缓蚀剂具体有三种作用，沉淀作用是金属中的阳离子与缓蚀剂中无机盐的阳离子在该金属表面发生化学反应形成一层保护膜，进而防止金属腐蚀。氧化作用是缓蚀剂中无机盐可以作为强氧化剂使用，可以直接与金属发生氧化反应，而在金属材料表面成膜，保护金属不腐蚀，但发生该作用时，需要注意缓蚀剂的量，当缓蚀剂用量不够时，反而会出现点腐蚀现象。

3 结语

本文研究了机械加工中金属材料腐蚀主要原因，总结出电化学腐蚀、化学腐蚀以及属于物理腐蚀的其他腐蚀原因，并基于其电化学反应和物理反应提出相应的金属材料腐蚀防护措施，能够降低机械加工中金属材料的腐蚀率，从而降低了能源的消耗，减小了环境污染。由于技术和知识含量的限制，本次研究没有进行对金属的耐腐蚀性实验，使得研究不够科学严谨，有待改进。