1、1第六章，化学反应和材料的保护第六章，化学反应和材料的保护 工程化学基础2 为了更合理地选择、使用和保护材料，本章将有关化学原理与具体的生产实例紧密结合，系统地揭示造成材料腐蚀、老化的原因，阐明材料保护的重要性，介绍一些材料保护的具体措施。本章内容提要第6章 化学反应和材料的保护内容提要3目录6.1 金属腐蚀的发生金属腐蚀的发生6.2 金属腐蚀的防护与利用金属腐蚀的防护与利用6.3 生命体及高分子材料的老化生命体及高分子材料的老化6.4 高分子材料的保护高分子材料的保护第6章 化学反应和材料的保护目录46.1 金属腐蚀的发生金属腐蚀的发生学习要求学习要求 1.理解化学腐蚀和电化学腐蚀的区别。联
2、系碳(氮、硼)化物，通过渗碳体(Fe3C)与高温水蒸气的反应，理解高温水蒸气对钢材的腐蚀和脱碳现象及其危害。2.掌握析氢和吸氧腐蚀的电化学机理。掌握腐蚀电池的两极名称、电极反应表达式，了解极化电势，明确实际析出电势，理解差异充气腐蚀产生的原因。3.了解影响金属腐蚀速率的因素，理解水膜的厚度、霜露、介质气体的酸碱性在控制腐蚀中的重要作用。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生5 金属腐蚀直接或间接地造成巨大的经济损失，估计世界上每年由于腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的25%左右，甚至还会引起停工停产、环境污染、危及人生安全等严重的事故。但金属腐蚀有时也会给人类带来加工方便等可利用之处。
3、金属腐蚀的普遍性与危害 金属和周围介质发生化学或电化学作用而引起的变质和破坏叫金属腐蚀金属腐蚀。金属腐蚀是自发的过程，腐蚀现象十分普遍。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生6 根据金属腐蚀过程的不同特点，可将其主要划分为三大类：金属腐蚀的分类化学腐蚀电化学腐蚀生物腐蚀 金属管线被腐蚀产生许多小洞 该图来自台湾，据说是由生物腐蚀造成的第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生7一、化学腐蚀一、化学腐蚀 例如电气绝缘油、润滑油、液压油以及干燥的空气中的 O2，H2S，SO2，Cl2 等物质与电气、机械设备中的金属接触时，在金属表面生成相应的氧化物、硫化物、氯化物等，都属于化学腐蚀。单纯由化学
4、作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀化学腐蚀。它发生在非电解质溶液中或干燥的气体中，在腐蚀过程中不产生电流。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生8如在例4-12中讨论了金属锌在空气中被氧化发生腐蚀的情况。尽管在大气中一般均小于 p，但从式4.9可知，金属的氧化腐蚀还是能发生，而且 rGm 越小，发生化学腐蚀的可能性越大。从温度与反应速度的关系来看，从式 4.15 可知，温度越高，化学腐蚀速率越大。因而金属材料的高温抗氧化性能是材料的一项重要性能指标。ARTEklnlna(4.15)第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生9 金属与高温水蒸气也能发生反应，这是造成锅炉和管道严重腐蚀的重要原因之一
5、：金属与高温水蒸气反应Fe +H2O(g)FeO +H22 Fe +3 H2O(g)Fe2O3 +3 H23 Fe +4 H2O(g)Fe3O4 +4 H2 在反应中生成一层由 FeO，Fe2O3，Fe3O4 组成的氧化皮，同时还产生了氢气。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生10 钢铁中的渗碳体(Fe3C)还可以与高温水蒸气反应，产生脱碳现象：脱碳现象Fe3C +H2O(g)3 Fe +CO +H2 这些反应都是可逆反应。在高温下，虽然正反应的rGm 值比常温时有所增加，但仍远小于零，即平衡强烈地偏向右边。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生11 在渗碳体与水蒸气的反应中，渗碳体
6、从邻近的尚未反应的区域不断迁移到钢铁表面，使钢材内部的Fe3C逐渐减少，形成脱碳层。氢脆图 6-1 工作表面氧化脱碳层脱碳层工 件氧化层 由于脱碳反应及其它氧化还原反应生成的氢因扩散渗入钢铁内部，使钢铁产生脆性，这就是所谓的氢脆氢脆。钢的脱碳和氢脆会造成钢的表面硬度和内部强度的降低，造成危害。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生12二、电化学腐蚀电化学腐蚀 金属的电化学腐蚀与原电池作用在原理上没有本质的区别。但通常把腐蚀中的原电池称为腐蚀电池腐蚀电池。由于形成了原电池发生电化学作用而引起的腐蚀称为电化学腐蚀电化学腐蚀。习惯上把腐蚀电池中发生氧化(即失电子)反应的电极称为阳极阳极，阳极是电
7、极电势小的电对，其还原态易失电子；把发生还原（即得电子）反应的电极称为阴极阴极，阴极是电极电势大的电对，其氧化态易得电子。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生13 因为有电流通过电极而使电极电势偏离原来的平衡电极电势值的现象，称为电极的极化电极的极化，电极的极化E可逆E阴阴E阳阳Ei阴极极化曲线阳极极化曲线腐蚀电池的放电极化电势极化电势平衡电势平衡电势第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生14 电极极化可分为阳极极化和阴极极化，产生极化的原因，主要有下述三种：浓差极化电化学极化电阻极化极化的类型第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生151.浓差极化 浓差极化是由于离子扩散速率比离
8、子在电极上的放电速率慢引起的。电流产生后，电极附近的离子浓度与溶液中其他部分不同。在阴极是氧化态物质（高价态）得电子，当离子浓度减小时，根据能斯特方程式可知，其电极电势代数值将减小；在阳极是还原态物质（低价态、这里是金属）失电子，当离子浓度增加时，其电极电势代数值增大。baccnEE)()(lgV 05917.0还原态氧化态第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生162.电化学极化 电化学极化是由复杂离子的放电、原子结合为分子、水化离子脱水等的速率比电流速率慢所引起的。电流通过电极时，若电极反应进行的较慢，就会改变电极上的带电程度，使电极电势偏离平衡电势。如在阴极，当氧化态物质得电子反应不够
9、快时（请特别注意水合离子 H3O+中的 H+脱水后才能得电子），则在电极上的电子过剩，即比平衡时的电极带更多的负电荷，从而使阴极电势比其平衡电势低；同样，若在阳极，当还原态物质的氧化反应（失电子）进行得较慢时，则电极的正电荷过剩，从而使阳极电势比其平衡电势为高。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生173.电阻极化 电阻极化是由于当电流通过电极时，在电极表面上形成氧化膜或一些其他物质引起的。由于这些物质具有一定的电阻，在阳极上阻碍还原态物质（如OH，H2等）的到达或氧化态物质（如 Fe2+，O2，H+）的离去，使其电极电势升高；在阴极上。阻碍氧化态物质（如 Fe2+，O2，H+）的到达或还
10、原态物质（如 OH，H2 等）的离去，使其电极电势降低。无论哪种极化原因，极化结果都使阴极电势值减小，阳极电势值增大，最终使腐蚀电池的电动势减小。总之，极化作用的结果是使腐蚀速率变慢，甚至有时会使腐蚀过程完全停止。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生181、析氢腐蚀 在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的工艺过程中常发生析氢腐蚀。特别是当钢铁制件暴露于潮湿空气中时，由于表面的吸附作用，就使钢铁表面覆盖了一层极薄的水膜。此时铁（相对活泼的金属）作为腐蚀电池的阳极发生失电子的氧化反应；氧化皮、碳或其他比铁不活泼的杂质作阴极，H在这里接受电子发生得电子的还原反应：电化学腐蚀，常见的有析氢腐蚀和吸氧腐
11、蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生19阳极（Fe）Fe 2e Fe2+阴极（杂质）2 H+2e+H2 总反应Fe +2 H+Fe2+H2 这种腐蚀过程中有氢气析出，所以称为析氢腐蚀析氢腐蚀第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生20 工厂附近的空气中含有较多的 CO2，NO2，SO2 等酸性气体，水膜中将存在下列平衡：有利于析氢腐蚀的环境CO2+H2OH2CO3H+HCO3-SO2+H2OH2SO3H+HSO3-2 NO2+H2OHNO3+HNO22 H+NO3-+NO2-HNO3H+NO3-3 NO2+H2O2 HNO3+NO第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生21 由于
12、氢离子的浓度较大，有可能发生析氢腐蚀，使铁被腐蚀生成 Fe 2。在 pH 值较高时能以 Fe(OH)2 沉淀析出，并进一步氧化成 Fe(OH)3。随着温度的升高，腐蚀将加剧进行。在中性溶液中 c(H+)=107 molL1，根据能斯特方程式计算得：V 414.0V)10lg(2V 059.0V 0 .0)/HH(272E铁 以c(Fe 2)=106 molL1 计 的电极电势为0.587 V，E(H+/H2)E(Fe 2/Fe)第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生22 在阴极（杂质）上有氢气析出并使阳极（铁）腐蚀。但由于电化学极化作用的存在，使氢气析出时的实际电极电势要小于理论析出电势值
13、，我们称 E(H+/H2)过 为氢的过电势过电势。过电势总是正值，它使 H2 在阴极析出时的实际电势要比理论电势小。过电势的大小与电流密度、溶液中 H+的浓度、阴极的材料等因素有关。例如，在 0.5 molL1的 H2SO4 中，当电流密度为 1 mA cm2 时，氢在（石墨）上的过电势为0.55 V。E(H+/H2)实E(H+/H2)理 E(H+/H2)过第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生232、吸氧腐蚀 由于氢过电势的影响，在中性介质，甚至在 pH 值等于4 的溶液中，铁已不可能发生析氢腐蚀。但铁的腐蚀还是严重存在的。这是什么原因呢？是因为阴极的吸氧作用而造成了吸氧腐蚀。当金属发生
14、吸氧腐蚀时，阳极仍是金属（如Fe）失电子被氧化成金属离子（如Fe 2），但阴极杂质就成为氧电极了。在阴极，主要是溶于水膜中的氧分子得电子被还原，反应式如下：阳极(Fe)2 Fe 4e 2 Fe2+阴极(杂质)O2+2 H2O+4 e 4 OH 总反应 2 Fe+O2+2 H2O 2 Fe(OH)2 第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生24 这种在中性或弱酸性介质中发生“吸收”氧气的电化学腐蚀称为吸氧腐蚀吸氧腐蚀。422/)OH(/)O(lg4V 059.0V 401.0)/OHO(ccppE比 E(H+/H2)值大得多，更容易满足 E(O2/OH)E(Fe 2+/Fe)，生成的 Fe(O
15、H)2 在空气中不稳定，会被继续氧化成 Fe(OH)3。大多数金属的电极电势比 E(O2/OH)小得多，所以大多数金属都可能产生吸氧腐蚀，析出 OH。甚至在酸性较强的溶液中，金属发生析氢腐蚀的同时，也有吸氧腐蚀产生，其速率取决于温度、水膜的厚度等因素。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生25 锅炉、铁制水管等都与大气相通，而且不是经常有水，无水时管道被空气充满，因此锅炉管道系统常含有大量的氧气，所以常有严重的吸氧腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生26差异充气腐蚀 差异充气腐蚀差异充气腐蚀是由于氧浓度不同而造成的腐蚀，是金属吸氧腐蚀的一种形式，是因金属表面氧气分布不均匀而引起
16、的。例如，钢管、铸铁管埋在地下，地下的土有砂土、粘土之分和压实不压实的区别，砂土或没有压结实粘土的部分氧气就比较充足，即氧气的分压或浓度要大一些，从氧的电极反应式：O2+2 H2O+4 e 4 OH 可知：4222/)OH(/)O(lg4V 059.0)/OHO()/OHO(ccppEE第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生27 在氧气分压 p(O2)大的地方，E(O2/OH)值也大；p(O2)小的地方，E(O2/OH)值也小。根据电池组成原则，E 值大的为阴极（得电子），E 值小的为阳极（失电子），于是组成了一个氧的浓差电池。而且通常 E(Fe 2+/Fe)值要小于 E(O2/OH)值，
17、结果使 p(O2)（或 c(O2)）小的地方即处于被压实或粘土部分的金属成为阳极，发生失电子反应，先被腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生28插短片：6，01铁皮生锈差异充气腐蚀 差异充气腐蚀对工程材料的影响必须予以足够重视，工件上的一条裂缝，一个微小的孔隙，往往因差异充气腐蚀而毁坏整个工件，造成事故。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生29三、生物腐蚀三、生物腐蚀 生物腐蚀主要有下述三种情况：1 破坏防腐物2 代谢产物的影响 3 形成氧浓差电池 藻类、贝壳类等生物，特别是微生物在土壤、天然水、自来水、石油及其产品、冷却切削乳状液等各种环境中都存在，它们在新陈代谢过程中，对金
18、属材料所产生的腐蚀破坏作用都是生物腐蚀生物腐蚀。生物腐蚀多为电化学腐蚀，因作用特殊，将其归为一类。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生301 破坏防腐物 在使用有机物进行防腐蚀时，若这些有机物被生物作用而耗掉，则不能达到预期的防腐效果。例如水中加入的缓蚀剂，被细菌消耗分解掉，则达不到防护作用。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生312 代谢产物的影响 由于这些菌的存在，使油管、套管和注水管造成严重堵塞、锈蚀穿孔。油井 80%的管道腐蚀与硫酸盐还原菌有关。硫酸盐还原菌在其生命活动中，不断氧化存在于环境中的 H2 或者设备腐蚀过程中因阴极反应而析出的 H2，使硫酸盐、亚硫酸盐还原成硫化
19、物。从而加速阴极反应和造成阴极溶解。这个过程可用下式表示：SO4-+4 H2S2-+4 H2O 主要是参与自然界硫、铁元素循环的细菌，即厌氧的硫酸盐还原菌和好氧的铁细菌及硫杆菌。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生32 另外，硫酸盐还原菌作用产生的硫化氢造成局部微酸环境，这不仅加速金属的析氢腐蚀，更重要的是由于加剧钢的渗氢作用，从而导致金属的氢脆。一般厌氧菌的腐蚀只能在裸钢管和铸铁管上发生。所以当管外涂层失效和脱粘时，就会发生这类腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生33 好氧菌如噬硫杆菌能将元素硫或含硫化合物氧化成硫酸，能产生局部浓度达5%（质量百分比）的硫酸，于是形成了局部
20、腐蚀性极强的酸性环境。其反应为：2 S +3 O2 +2 H2O2 H2SO4 这类细菌需要元素硫或化合态硫以维持生存，因此它们常在硫矿、油田以及处理含硫有机废物的排污管内及其附近出现，引起地下钢管的严重腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生343 形成氧浓差电池 在有机物很多且活性细菌等生物活动的区域，因氧的消耗，使溶解氧浓度下降显著，这样的缺氧区域成了阳极区，而在细菌等生物少、氧充足的区域成为阴极区，因而形成了氧浓差电池，加速了金属的腐蚀。例如，铁细菌使铁生成三价 Fe(OH)3 沉淀后形成水垢，而在水垢的里外便形成氧浓差电池，造成自来水管的腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属
21、腐蚀的发生35四、金属的腐蚀速率四、金属的腐蚀速率 就同种金属而言，腐蚀速率主要受环境介质的影响，影响因素大致有：1、大气相对湿度对腐蚀速率的影响2、环境温度的影响3、氯化物的作用4、空气中污染物质的影响5、其他因素的影响第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生36一般地说，钢铁生锈的临界相对湿度大约为75%。1、大气相对湿度对腐蚀速率的影响 在某一相对湿度（称临界相对湿度）以下，金属即使长期暴露于大气中，也几乎完全不生锈。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生37水膜厚度的影响水膜极薄（小于10 nm）腐蚀几乎不能发生水膜在 10106 nm时水膜过厚（超过106 nm）腐蚀速率也就会
22、随之而降低。腐蚀速率最大第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生382、环境温度的影响 当相对湿度在临界相对湿度以上时，温度每升高10，锈蚀速率提高约 2 倍，所以在雨季或湿热带，温度越高，生锈越严重。温度的影响一般要和湿度条件综合起来考虑。当湿度低于金属的临界相对湿度时，温度对腐蚀的影响很小，第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生39 所以，在金属制品的生产、放置和贮运中，在金属制品的生产、放置和贮运中，应尽量避免温度的剧烈变化应尽量避免温度的剧烈变化。在北方高寒地区和昼夜温差较大的地区，应设法控制室内温度。霜露的影响温度的变化导致霜露现象第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生40
23、 Cl 体积小，无孔不入，能穿透水膜，破坏金属表面的钝化膜，使钝化膜在若干个“点”上快速溶解，导致金属发生小孔腐蚀。而且生成的 FeCl2 和 CrCl3 等又易溶于水，且溶入水膜后将大大提高水膜的导电能力。特别是在近海洋的大气中，能促进腐蚀的发生。钢铁材料在海滨大气及海洋运输中腐蚀速率较快的原钢铁材料在海滨大气及海洋运输中腐蚀速率较快的原因就是因就是Cl的作用的作用。3、氯化物的作用第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生41当Cl 的含量在2 4%时，对铁的腐蚀影响最大。图6-2 NaCl 浓度对铁腐蚀的影响 NaCl 浓度质量百分比0 5 10 15 20 25 30相对腐蚀速率012
24、%3第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生424，空气中污染物质的影响 SO2，NOx，CO2 等都是酸性气体，它们溶于水膜，不仅增加了作为电解质溶液的水膜的导电性，而且使析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生，从而加快了腐蚀速率。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生43Fe+2 H+Fe2+H2 2 Fe+4 H+O2 2 Fe2+2 H2 O Fe2+进一步被氧化成 Fe3+。Fe3+在 pH2.3 时完全沉淀为 Fe(OH)3：4 Fe2+O2+2 H2O+8 OH 4 Fe(OH)3 Fe 在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生44 Zn 在大气中的吸氧
25、腐蚀产物主要是 Zn(OH)2，它与空气中的 CO2 进行如下反应，生成碱式碳酸锌：5 Zn(OH)2 +2 CO2 Zn5(OH)6(CO3)2+2 H2O 碱式碳酸锌可形成一种致密的覆盖层，使金属表面碱式碳酸锌可形成一种致密的覆盖层，使金属表面与氧、水隔离与氧、水隔离。这就使腐蚀速率大大变慢，一般每年腐蚀深度只有几微米。这种情况下，腐蚀速率只取决于覆盖层按照下述反应所发生的溶解：Zn5(OH)6(CO3)25 Zn2+6 OH-+2 CO3-锌第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生45 如果在锌表面经常有 H2O，以及 SO2 的出现，则锌的腐蚀将被大大加快。Zn5(OH)6(CO3)
26、25 Zn2+6 OH-+2 CO3-CO2+H2OH2CO3H+HCO3-2 SO2 +O2 +2 H2O4 H+2 SO42-催化第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生46 铅在大气中的腐蚀过程本质上与锌十分类似，但有一个重要差别。由 SO2 所生成的硫酸与铅发生反应可产生硫酸铅，而硫酸铅是难溶于水的，所以起着抑制腐蚀继续进行的作用。铅在工业大气中具有较好的抗蚀性，原因就在于此。铅的腐蚀速率几乎与 SO2 无关，仅取决于相对湿度。铅第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生475、其他因素的影响 金属制品在其生产过程中，可能带来很多腐蚀性因素。例如机械加工冷却液，不同的金属对它的 pH
27、 值和氧化还原要求差别很大。Zn 或 Al 在一般的酸和碱溶液中都不稳定，因为它们都具有两性，其氧化物在酸、碱中均能溶解。Fe 和 Mg 由于其氢氧化物在碱中实际上不溶解，而在金属表面生成保护膜，因而使得它们在碱溶液中的腐蚀速率比在中性和酸性溶液中要小。Ni 和 Cd 在碱性溶液中较稳定，但在酸性溶液中易腐蚀。因此加工钢铁零件的冷却液，一般要呈弱碱性（pH89），但这种碱性冷却液用于 Zn 或 Al 等金属就不行了。冷却液第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生48 盐类的影响比较复杂，一般着重考虑它们与金属反应所生成的腐蚀产物的溶解度。例如，可溶性碳酸盐、磷酸盐分别在钢铁表面的阳极区域生成
28、不溶的碳酸铁、磷酸铁薄膜；硫酸锌则在钢铁表面的阴极区域生成不溶的氢氧化锌，它们都会产生电阻极化，因此钢铁和这些溶液接触时腐蚀速率都比较小。有一些盐类，如铬酸盐、重铬酸盐等能使金属表面氧化形成保护膜。盐类的影响第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生49 介质流速对于腐蚀的影响也是很复杂的，它取决于金属及其所处的环境。当腐蚀过程受阴极扩散控制时，搅拌和增加介质流速会使腐蚀速率增加，这种情况一般发生在氧化剂含量很少时，如酸或水中含有溶解氧，如 Fe、Cu 在 H2O+O2 的环境中就是如此。如果腐蚀过程受扩散过程控制而金属又容易钝化时，当搅拌和增加介质流速时，金属将由活性转变为钝性，通常易钝化的
29、金属如不锈钢和钛的耐蚀性更高。例如 18Cr-8Ni 在 H2SO4+Fe3+的环境，Ti 在 HCl+Cu2+的环境中。对于受活化极化控制的腐蚀过程，搅拌和介质流速对腐蚀速率没有影响，如 Fe 在稀盐酸中的腐蚀就是一例。介质流速第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生50 例如手工操作者用手与工件接触时，因汗水成分中含有较多的Cl、乳酸及尿素等，这也易促进金属生锈。金属零件的热处理中，残盐洗涤不干净也是常见的腐蚀因素。铸件通过喷砂，表面变得新鲜而粗糙，这样与空气接触面积大，再加上表面吸附性能和反应活性的显著升高，也极易使铸件很快腐蚀。操作因素的影响 除上述因素外，还有一些因时因地的各种因素
30、，例如金属原材料、半成品或成品，因保管不善而积满灰尘；用脏棉丝擦抹工件或用脚踏踩或不小心洒上水滴；蚁、蝇及各种小昆虫在金属表面上爬动，都会因脏物或排泄物等粘附在工件表面而引起腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的发生516.2 金属腐蚀的防护与利用金属腐蚀的防护与利用 学学 习习 要要 求求 1.了解正确选用金属材料及代用材料的思路，理解根据具体情况选材的重要性，特别注意不锈钢、钢、镍及镍合金、钛及钛合金、钽的选用。2.了解隔绝金属材料与腐蚀性介质的接触、控制和改善环境气体和液体介质、使用缓蚀剂等的方法和意义。3.掌握电极电势的应用和明确电镀时两极发生的反应及金属在阴极的析出顺序，掌握含
31、 CoCl2 硅胶的使用，了解缓蚀机理。4.理解牺牲阳极保护法、外加电流法等电化学保护法的应用。5.了解电化学腐蚀的应用；理解阳极氧化、电解抛光等装置的两极发生的反应电解液的组成；理解化学铣切原理和应用，了解腐蚀液的选择。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用52 金属材料的腐蚀是普遍存在的，是不可避免的。为了工程建设、日常生活的安全性和经济性，我们有必要对金属材料及其制品进行必要的保护。另外，凡事都有两面性，金属腐蚀也可被人类利用，化害为利。根据造成金属材料腐蚀的原因和影响腐蚀速度的因素，我们不难得出这样的结论：即防止金属腐蚀(或减缓金属腐蚀)可以从金属本性和环境介质两个方面着手。
32、第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用53一，金属材料的耐蚀性一，金属材料的耐蚀性 例如铝合金、镁合金不应当和铜、镍、铁等电极电势代数值较大的金属直接连接。当必须把这些不同的金属装配在一起时，应该设法采用隔离层的办法把它们隔开来。例如，喷绝缘漆、衬塑料或橡胶垫，或通过适当的金属镀层过渡。若铝合金与钢铁件组合时，则需将铝合金进行阳极氧化处理，而将钢铁镀锌或镀镍再组装在一起。在设计金属构件时，应注意避免两种电势差很大的金属相接触。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用54 选用材料时还应考虑材料使用时所处的介质种类和条件，如空气的湿度、溶液的浓度、温度等。例如对接触还原性或非氧
33、化性的酸和水溶液的材料，通常使用镍、铜及其合金。对于氧化性极强的条件，采用钛和钛合金。除了氢氟酸和烧碱溶液外，金属钽和非金属的玻璃几乎对所有介质都能耐蚀。许多年来，钽已被认为并已被用作“完全”耐蚀材料。应考虑材料使用时所处的介质种类和条件第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用55 纯金属的耐蚀性能可根据其标准电极电位进行近似的判断。根据 pH=7，pH=0，氧和氢的平衡电极电位分别为+0.815 V，+1.23 V 及0.414 V，0.000 V，可粗略地把金属分为四类，第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用56表6.1 根据金属的标准电极电位近似评定其热力学稳定性 金属
34、的标准电极电位/V 热力学稳定性可能发生的腐蚀金 属0.414不稳定 在含氧的中性水溶液中，能产生吸氧腐蚀，也能产生析氢腐蚀；在不含氧的中性水溶液中，有的也能产生析氢腐蚀 Li,Rb,K,Cs,Ra,Ba,Sr,Ca,Na,La,Mg,Pu,Th,Np,Be,U,Hf,Al,Ti,Zr,V,Mn,Nb,Cr,Zn,Ca,Fe 0.4140 不够稳定 在含氧或氧化剂的中性水溶液中，能产生吸氧腐蚀；在酸性水溶液中产生析氢腐蚀 Cd,In,Co,Tl,Ni,Mo,Sn,Pb第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用57金属的标准电极电位/V 热力学稳定性可能发生的腐蚀金 属0+0.815较稳定
35、(半贵金属)在不含氧的中性或酸性水溶液中不腐蚀，只在含氧介质中产生吸氧腐蚀Bi,Sb,As,Cu,Rh,Hg,Ag+0.815稳定(贵金属)只在含氧的酸性介质中发生吸氧腐蚀，或在含有生存配合物的介质中才能发生腐蚀 Pd,Ir,Pt,Au 第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用58 不锈钢并不是在所有情况下都不生锈，也并非是最不锈钢并不是在所有情况下都不生锈，也并非是最耐腐蚀的材料耐腐蚀的材料。它是由含铬 11.5%30%，含镍低于22%，加上其他少量合金元素所组成的，包括30种以上不同合金系列的通称。不锈钢虽然在耐腐蚀方面有着良好的性能，但并不耐所有腐蚀剂。在某些情况下，例如上节所述
36、的含氯化物的介质或被用作受应力的结构时，不锈钢还不及普通结构钢耐腐蚀。有大量的腐蚀事故可以直接归结为对不锈钢选材的不慎或把它当作最好的万能材料之故，实际上不锈钢仅仅是耐蚀性较高而价格相对较低的一大类材料，使用时必须慎重。不锈钢不是万能材料第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用59 在耐腐蚀性上下列五类非金属材料可代替金属材料：(1)天然橡胶和合成橡胶；(2)塑料；(3)陶瓷；(4)碳素材料(如石墨)；(5)木材。一般来说，橡胶和塑料与金属材料相比较，强度和硬度都低得多，但对氯离子和盐酸的耐蚀性却要强得多，对浓硫酸、硝酸等氧化性酸耐蚀性则较差，对有机溶剂的耐蚀性也较差，使用温度一般不能
37、高于8090。陶瓷的耐蚀和耐热性都很高，但主要缺点是太脆和抗拉强度太低。石墨的耐蚀性、导电性和导热性能都很好，但性脆。木材在强腐蚀性环境中一般不耐蚀。金属材料的替代品第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用60二、防止介质对材料的腐蚀防止介质对材料的腐蚀 1，隔绝介质与材料的接触2，控制和改善环境气体介质3，控制和改善环境液体介质 钝化膜氧化膜磷化膜镀金属保护层第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用61 也称发黑也称发黑，其结果是使钢铁表面生成一层蓝黑色致密的四氧化三铁(Fe3O4)薄膜，牢固地与金属表面结合。常用的碱性发蓝工艺是将钢铁零件放入高浓度的碱(NaOH)和氧化剂(
38、NaNO2,NaNO3)溶液中，在140 150下进行处理，其反应主要是氧化还原反应和水解反应：钢铁发蓝3 Fe+NaNO2+5 NaOH 3 Na2FeO2+NH3+H2O6 Na2FeO2 +NaNO2+5 H2O 3 Na2Fe2O4+NH3+7 NaOH Na2FeO2+Na2Fe2O4 +2 H2O Fe3O4+4 NaOH(亚铁酸钠)(铁酸钠)1 隔绝介质与材料的接触第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用62 钢铁磷化是把钢铁制件放入磷酸盐溶液中进行浸泡，使其表面获得一层灰黑色不溶于水的磷酸盐薄膜（磷化膜）。磷化膜加工工艺简便，成本低廉。常用的磷酸盐是磷酸二氢锰铁盐，俗名
39、马日夫盐。分子式为：nFe(H2PO4)2 mMn(H2PO4)2，简写为 M(H2PO4)2，其中 M 表示二价的锰、铁、锌等金属元素。钢铁磷化H3PO4H2PO4-+H+HPO42-+2 H+PO43-+3 H+第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用63 钢铁在该酸性溶液中反应生成 Fe2+，Zn2+，Mn2+等离子的 HPO42 与 PO43 的复合盐，结晶沉积于金属表面，形成磷化保护膜。其主要反应可用下列通式表示：M2+HPO42 MHPO43 M2+2 PO43 M3(PO4)2 覆盖层也可以用金属保护层金属保护层。金属保护层是以另一种金属镀在被保护的金属制品表面上所形成的
40、保护层，镀层应选用耐蚀的金属。制备金属保护层有电镀、电刷镀、渗镀、化学镀等方法。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用64图6-3 电镀装置示意图需要镀层的零件作为阴极（连接电源负极）电镀 VA+工件溶解后作镀层用溶解后作镀层用镀层的金属（如Cu，Zn，Ni，Sn等）作为阳极（连接电源正极）第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用65 电镀液（电解液）的选择直接影响着电镀质量。例如镀铜工艺若用酸性镀铜液（基本成分为硫酸铜和硫酸），不仅镀层粗糙，而且与基体金属结合不牢。NaCu(CN)2 CuCN+NaCNNaCu(CN)2 Na+Cu(CN)2-若以氰化物为电解液（主要由 C
41、uCN 和 NaCN 组成），CuCN 和过量的 NaCN 反应将生成配合物：NaCu(CN)2 是强电解质，在溶液中全部电离：由于氰化物剧毒，污染环境严重，正逐步被无氰铜液所取代。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用662 CuSO4+K4P2O7Cu2P2O7 +2 K2SO42 K6Cu(P2O7)2Cu2P2O7+3 K4P2O7CuSO4 +2 K4P2O7K6Cu(P2O7)2 +K2SO4 若用焦磷酸镀铜工艺，也能获得厚度均匀、结晶细致、抛光性能良好的镀铜层，而且具有操作简便、成本低廉、利于大量生产的特点。总反应为：第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用67
42、搪瓷层喷塑和喷漆其他类型覆盖层第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用68CoCl26H2OCoCl22H2OCoCl2H2OCoCl252.5 120 90(粉红)(紫红)(蓝紫)(蓝)2，控制和改善环境气体介质 使用干燥剂含 CoCl2 硅胶干燥剂第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用69 干燥空气封存法干燥空气封存法或控制相对湿度法或控制相对湿度法。使相对湿度控制在35%以下。金属就不易生锈，非金属也不易发霉。干燥空气封存法和去氧(充氮)封存法 采用充氮封存的方法，因氮气的化学性质比较稳定。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用703 控制和改善环境液体介质
43、采用热力法热力法煮沸给水，可去除给水中的溶解氧和二氧化碳：2 HCO3-CO2 +CO32-+H2O沸腾借助于化学法化学法，用联氨（N2H4，又叫肼）除氧。N2H4 +O2 N2 +2 H2O 反应产物 N2 和 H2O 对热力系统无任何危害。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用71 在高温（200）水中，N2H4 可将 Fe2O3 还原成Fe3O4 甚至是Fe，反应如下：6 Fe2O3+N2H4 4 Fe3O4+N2+2 H2O 2 Fe3O4+N2H4 6 FeO+N2+2 H2O2 FeO+N2H4 2 Fe+N2+2 H2ON2H4 还能将氧化铜还原成氧化亚铜或铜。联氨的这
44、些性质可以用来防止锅炉内结铁垢和铜垢。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用72 缓蚀剂缓蚀剂是指添加腐蚀性介质中能阻止金属腐蚀或降低腐蚀速率的物质。缓蚀剂的种类繁多，有用于酸性、碱性或中性液体介质中的缓蚀剂，有气相缓蚀剂等。习惯上常根据缓蚀剂的化学组成，把缓蚀剂分为无机的和有机的两类。缓蚀剂法 无机缓蚀剂：无机缓蚀剂：具有氧化性的K2CrO4、K2Cr2O7、NaNO3、NaNO2 等，在溶液中能使钢铁钝化，使金属与介质隔开，从而减缓腐蚀。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用73 生成的难溶碳酸覆盖于阳极表面，增强了电极的极化作用，阻滞了阳极反应，从而降低了金属的腐蚀速
45、率。非氧化性的无机缓蚀剂，如 NaOH，Na2CO3，Na2SiO3，Na3PO4 和 Ca(HCO3)2 等，能与金属表面阳极部分溶解下来的金属离子结合成难溶的产物，覆盖在金属表面上形成保护膜，例如：Fe2+2 OH Fe(OH)23 Fe2+2 PO43 Fe3(PO4)2又如 Ca(HCO3)2 能与阴极附近所形成的OH进行如下反应：Ca2+HCO3 +OH CaCO3+H2O第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用74 有机缓蚀剂有机缓蚀剂：琼脂、糊精、动物胶、胺类以及含 N 和 S 的有机物质等。有机缓蚀剂对金属的缓蚀作用，一般认为是由于金属刚开始溶解时，表面带负电，所以能将
46、有机缓蚀剂的离子或分子吸附在表面上，形成一层难溶而腐蚀性介质又很难透过的保护膜，增强电极的极化作用，从而阻碍了H得电子，大大减少了析氢腐蚀。有机缓蚀剂在金属氧化物的表面不能被吸附，利用这个特性，有机缓蚀剂常被用于酸洗中，既达到除去金属上的氧化皮或铁锈的目的，又可以减缓金属在酸中的腐蚀速率。有机缓蚀剂第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用75插短片：6，02铁钉生锈乌洛托品 (CH2)6N4铁氰化钾 K3Fe(CN)6盐酸 HClNNNN第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用76三、电化学保护法三、电化学保护法 电化学保护法是将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池的阴极。它一般分
47、为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用77图6-4 牺牲阳极保护法示意图 e船体(铁)阴极阳极Zn 一般常用的牺牲阳极的材料有铝、锌及它们的合金。牺牲阳极保护法 牺牲阳极保护法可用于锅炉、海轮外壳等的防腐。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用78图6-5 外加电流保护法示意图FePb +阴极阳极 这种方法主要用于防止土壤、海水和河水中金属设备的腐蚀。外加电流保护法第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用79四、化学腐蚀的利用四、化学腐蚀的利用 事物总是有两面性，利用电化学腐蚀还可进行金属保护和金属材料加工等。第6章 化学反应和材料
48、的保护金属腐蚀的防护和利用80 金 属图6-6 氧化膜的生成示意图染料电解液松孔外层氧化膜Al2O3H2O松孔封闭 阳极氧化是用电化学的方法使金属表面形成氧化膜以达到防腐耐蚀目的的一种工艺。1 阳极氧化阳极(Al)2Al+3H2O 6e Al2O3+6H+(主要反应)阴极(Pb)2H+2e H2 阻挡层本法适用于镁、铜、钛、锆等金属及合金。第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用81图6-7 电解抛光形成薄膜示意图电电解解液液凸起部分凹入部分工工件件粘粘性性薄薄膜膜 电解抛光的原理是：在电解过程中，利用金属表面上凸出部分的溶解速率大于金属表面凹入部分的溶解速率这一特点，使金属表面达到平
49、滑光亮的目的；平滑光亮的金属表面，既不易腐蚀又美观大方。2 电解抛光第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用823，化学铣削 化学铣削是利用腐蚀来进行金属加工的一种方法，化学铣削是利用腐蚀来进行金属加工的一种方法，因此又叫腐蚀加工因此又叫腐蚀加工。它是把某一材料先用一保护层将不需要腐蚀的地方保护起来，然后浸入腐蚀液中进行腐蚀的一种方法。化学铣削通常包括清洁处理、涂防蚀层、刻划防蚀层图形、腐蚀加工和从已加工完毕的零件或半成品上把防蚀层去掉。工艺流程第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用83+(NH4)2Cr2O7CHOHCH2CHOHCH2CHOHCH2+Cr3+CHOHCH2
50、COCH2CHOHCH2+CHOHCH2COCH2CHOHCH22Cr3+CHOHCH2COCH2CHOHCH2CHOHCH2COCH2CHOHCH2Cr3+第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用84 在制作印刷电路的过程中：E(Fe3+/Fe2+)E(Cu2+/Cu)腐蚀液2 FeCl3+Cu 2 FeCl2+CuCl2 发生的腐蚀反应是：用三氯化铁溶液腐蚀铜有第6章 化学反应和材料的保护金属腐蚀的防护和利用85用酸、碱都可以。目前，最广泛使用的是碱性溶液。铣削铝合金2 Al+2 NaOH+2 H2O 2 NaAlO2+3 H2 为提高铣削质量，腐蚀液中除 NaOH 外还加一些添加
