1、XXXXX 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY毕业论文(设计)论文题目 金属腐蚀与防护 学生姓名 指导老师 学 院 XXXXXXXXXXXXXXXX学院 专业班级 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 完成时间 2014年3月20日 摘 要工程材料的腐蚀给国民经济和社会生活造成的严重危害已越来越为人们所认识重视。金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震灾害（平均值）损失的总和，在这里还不包括由于腐蚀导致的停工、减产和爆炸等造成的间接损失。金属在水溶液中的腐蚀是一种电化学反应。在金属表面形成一个阳极和阴极区隔离的腐蚀电池，金属在溶液中失去电子，变成带正电的离子，这是一个
2、氧化过程即阳极过程。随着腐蚀过程的进行，在多数情况下，阴极或阳极过程会因溶液离子受到腐蚀产物的阻挡，导致扩散被阻而腐蚀速度变慢，这个现象称为极化，金属的腐蚀随极化而减缓。影响金属腐蚀的因素有内部因素、外部因素及设备结构因素。控制腐蚀的根本办法自然应是控制电化学作用， 即如何消除腐蚀电池。即使不能完全消除，也要设法使腐蚀电流密度降至最低程度。常用的腐蚀防护方法有涂料、电镀 、缓蚀剂和电化学保护。关键词：金属腐蚀 防护 电化学 目 录1前言- 1 -2金属腐蚀综述- 1 -2.1金属在水环境中的腐蚀原理- 1 -2.2影响腐蚀的因素- 1 -3腐蚀的防护- 1 -3.1涂料- 2 -3.1.1富锌
3、防锈漆- 2 -3.1.2氯化橡胶涂料- 2 -3.1.3冷固化环氧树脂涂料- 2 -3.1.4环氧酯防锈涂料- 2 -3.2电镀- 2 -3.2.1防蚀镀层- 2 -3.2.2耐磨镀层- 2 -3.2.3装饰性镀层- 3 -3.3缓蚀剂- 3 -3.4电化学防护- 3 -3.4.1阴极保护- 3 -3.4.2阳极保护- 4 -3.5合理的结构设计- 4 -4 结论- 4 - 5 -1前言近年来随着人们对保护自然资源、能源和环境的认识不断提高，对金属腐蚀的严重危害的关注也渐在加深。工程材料的腐蚀给国民经济和社会生活造成的严重危害已越来越为人们所认识重视。首先，金属腐蚀造成了巨大的经济损失。根据
4、各国调查结果，一般说来，金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%左右。 另据国外统计，金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震灾害（平均值）损失的总和，在这里还不包括由于腐蚀导致的停工、减产和爆炸等造成的间接损失。我国作为世界上钢铁产量最多的国家（2012年全国生产钢材9.57亿吨） ，每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一，因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值的2%4%；约合人民币：1.6万亿元（2012年我国国内生产总值达51.9万亿元）。其次，金属腐蚀也经常对人类安全构成威胁。国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故，如飞机因某一零部件破裂而坠毁；桥梁因钢梁产生裂缝而
5、塌陷；油管因穿孔或裂缝而漏油，引起着火爆炸；化工厂中储酸槽穿孔泄漏，造成重大环境污染；管道和设备跑、冒、滴、漏，破坏生产环境，有毒气体如Cl2、H2S、HCN等的泄漏，更会危及工作人员和附近居民的生命安全。2金属腐蚀综述金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。其中，金属在水环境中的腐蚀最为常见，也是腐蚀损失最大的一种。2.1金属在水环境中的腐蚀原理金属在水溶液中的腐蚀是一种电化学反应。在金属表面形成一个阳极和阴极区隔离的腐蚀电池，金属在溶液中失去电子，变成带正电的离子，这是一个氧化
6、过程即阳极过程。与此同时在接触水溶液的金属表面，电子有大量机会被溶液中的某种物质中和，中和电子的过程是还原过程，即阴极过程。常见的阴极过程有氧被还原、氢气释放、氧化剂被还原和贵金属沉积等。随着腐蚀过程的进行，在多数情况下，阴极或阳极过程会因溶液离子受到腐蚀产物的阻挡，导致扩散被阻而腐蚀速度变慢，这个现象称为极化，金属的腐蚀随极化而减缓。其特征是金属原子在阳极区失去电子，腐蚀介质的分子在阴极得到电子，并且伴有电流产生。金属在潮湿空气中的大气腐蚀，在酸、碱、盐溶液和海水中的腐蚀，在地下土壤中的腐蚀，在不同金属接触处的腐蚀等都是电化学腐蚀。电化学腐蚀比化学腐蚀更严重、更普遍。2.2影响腐蚀的因素影响
7、金属腐蚀的因素有内部因素、外部因素及设备结构因素。内部因素是指钢铁本身的成分、组织、结晶方向、残余应力、表面转化膜等导致的不均一性，这种不均一性使金属内部有不同电位的区域存在。外部因素是指与钢铁表面接触的介质溶液，也就是说钢铁腐蚀受到环境的支配，如果环境改变，腐蚀的状态、速度就会发生变化。例如，把潮湿环境中的金属转移到干燥的环境中，腐蚀速度也会减慢；把海边的金属移到离海岸较远的普通环境之中，腐蚀也会减慢。3腐蚀的防护 金属腐蚀所造成的经济损失中，有相当可观的一部分是采用当前行之有效的防护技术便可以避免的，随着科学技术的不断进步，可以避免的这部分损失也会不断扩大， 而当前尚不可避免的损失则将缩小
8、。金属的腐蚀既然是金属与环境介质间的电化学作用所造成。控制腐蚀的根本办法自然应是控制电化学作用， 即如何消除腐蚀电池。即使不能完全消除， 也要设法使腐蚀电流密度降至最低程度。常用的腐蚀防护方法有涂料、电镀 、缓蚀剂和电化学保护。3.1涂料用涂料来防腐蚀， 由于施工简便，成本较低，适用于复杂的结构物， 而且有相当长的有效期，故仍为目前广泛采用的方法。最初使用的防蚀涂料为油基型，如红丹漆、锌黄潦，用干性植物油与树脂制造，耐水性和防锈性均有限，而且干性植物油生产有限，干燥较慢， 故后来发展了树脂型防锈漆， 以聚合物为基料，耐水性抗蚀性好，干燥快，漆膜硬度高， 并逐步代替了油基型漆。树脂型防锈漆品种甚
9、多，今择要介绍如下：3.1.1富锌防锈漆含有大量超细铝粉(8595)%重量，有时为锌粉加少量铝粉)，锌作为牺牲阳极对钢铁起郅阴极保护作用。采用的基料有氯化橡胶、聚苯乙烯、丙烯酸村脂、环氧树脂等。富锌防锈漆是目前公认的最佳保养涂料之一， 广泛用于桥梁、船舶海上石油平台、石油及化工设备等。3.1.2氯化橡胶涂料这种涂料有良好的耐水性和耐化学介质(特别是碱)腐蚀性， 不易燃烧，还有防霉性能和快干等优点。缺点是耐油性较差。氯化橡胶与醇酸树脂混合制成的涂料特别适用于化工设备外璧、炼钢厂，钢铁结构与船舶水线以上部位。3.1.3冷固化环氧树脂涂料与防锈颜料配合可做成冷固型环氧防锈底漆， 如环氧富锌底漆、环氧
10、铝粉漆、环氧红丹漆等。常用的固化剂有二乙烯三胺、聚酰胺等。环氧沥青涂料兼有沥青的耐水性与环氧树脂的耐化学介质性和耐溶剂性，使用广泛， 特别适于经常与石油或海水接触处的内壁涂装。3.1.4环氧酯防锈涂料 环氧树脂作为涂料必须与固化剂分装，使用前再按比例配合，用户感到不便。如将环氧树脂与不饱和酸混合加热进行酯化，用溶剂稀释并与颜料研磨制成涂料，即为环氧酯防锈底漆， 用时不须配固化剂，较为方便。多用于腐蚀不太严重的情况。选种涂料长期曝晒时易于粉化， 因此必须复盖适当面漆。3.2电镀电镀是一项利用面广的制造工艺，它具有生产工艺和设备简单、适于大批量生产、易于机械化自动化加工等优点，故获得不同工业系统中
11、的广泛应用。电镀面广类多， 兹择要分述如下：3.2.1防蚀镀层锌和镉是主要的防大气腐蚀镀层，镉镀层抗海洋大气腐蚀性好而且渗氢少，镀层不易开裂剥落。但镉有毒，排放的废水污染严重， 许多地区已禁止或尽量减少镀镉用量。新开发的锌镍合金甚有前途。另外工业上还在研究添加Fe、Cu、Sn等元素的耐蚀锌合金镀层。抗强化学介质腐蚀的非晶态镀层已引起人们的注意。3.2.2耐磨镀层 工业上普遍使用镀硬铬，但存在脆性问题，且存在残余应力，镀层有时剥落。镀液中的六价铬又是重点污染物质，带来环保问题，而且电流效率低， 均镀能力差，由于这些缺点，镀硬铬的工艺尚待改进， 另外，工业上在发展Ni- M0、Ni W等合金镀层以
12、代替硬铬层， 也有发展在铜、镍镀层为母体， 加入非金属颗粒如氧化铝、硬化硅、石墨等的复台镀层以提高耐磨性。3.2.3装饰性镀层 用得最多的是铜一镍一铬体系。为了提高镀层的耐蚀性，近二十年来发展了双层镍、三层镍套铬和微裂纹镀铬等新工艺，扩大了工业用途。含612锡的铜锡合金镀层，二元或三元的铜锌台金镀层， 有白色或黄色的可以代镶或仿金。其它用作装饰性镀层的还有钯镍台金和锡镍合金等。3.3缓蚀剂缓蚀剂是一种使用于腐蚀环境中抑制金属腐蚀的添加剂。对于一定的金属腐蚀介质的体系，只要在腐蚀介质中加人少量缓蚀剂，就能有效地降低该金属的腐蚀速度。由于用量很少、使用方便、设备简单、成本低，投资少、上马快， 因此
13、缓蚀剂得到广泛的工业应用。目前，缓蚀剂正在沿着以下一些方向发展；(1)采用或开发无毒或低毒的缓蚀剂，以减轻对环境的污染 ；(2)开发廉价的缓蚀剂，例如硫酸亚铁； (3)采用有协同作用的复合缓蚀剂和多功能的复合缓蚀剂以替代单一缓蚀剂； (4)提高缓蚀剂的化学稳定性，以适应苛刻的工作条件(例如高温，强氧化性等)；(5)扩大应用的范围；(6)继续开发新型的缓蚀剂，例如钨酸盐和钼酸盐、咪唑啉类化合物作缓蚀剂，从水生植物、植物种子、制药厂和化工厂的副产品或废液中提取新的缓蚀剂等； (7)开发有色金属及其合金的缓蚀剂。3.4电化学防护电化学保护指的是利用外部电流使金属电位改变以降低其腐蚀速度的防腐蚀技术。
14、按照金属电位改变的方向，电化学保护分为阴极保护和阳极保护两大类。3.4.1阴极保护阴极保护是一项十分实用有效的防腐蚀技术。无论是牺牲阳极法，还是外加电流法，不仅在工程上有着很大的应用前景， 就是在理论研究方面也不能认为问题已经完全解决。最佳保护电位是阴极保护的基本参数。在以往的设计规范中规定的数据主要是由经验得来的。最近以来，这个老问题又被重新提出。核心就是以丰富和发展阴极保护理论为前提，使最佳保护电位的确定建立在更加科学、合理的基础上。其中突出的一点就是IR电位降的补偿。在阴极保护电位下用电化学方法测试金属腐蚀的瞬时速度近几年开始受到注意。现在使用的是交流阻抗技术 这样就可以通过实验直接确定
15、最佳保护电位，进一步发展还可用于阴极保护系统运转状况的现场检测。受阴极保护的构件表面的电位和电流密度分布的计算是阴投保护工程设计的基础目前许多设计在很大程度上凭经验进行，工程计算中由于作了许多简化(如假设构件各处保护电流密度完全一样)使得结果粗糙，因缺乏把握，设计中不得不留出过大的余地，导致不少浪费。要避免这种情况，就得掌握电位和电流密度的分布规律。这时可以用拉普拉斯方程描述l为此已经发展了一些数值解的算法和相应的软件，包括有限元法、有限差分法、边界元法等。阴极保护新近发展的特征之一是电子计算机的应用。它包括阴极保护工程的计算机辅助设计，阴极保护系统运行状况的计算机管理，最近又研制开发了计算机
16、直接控制的外加电流阴极保护电源。阳极的研制是阴极保护进展的重要方面。阳极中合金元素的作用机理仍在继续深入研究。锌台金牺牲阳极晶间腐蚀的原因和对策， 由于跟热油输送管道的保护有关而受到重视。为了降低生产成本，已开始探索利用工业纯原料代替高纯度原料制备牺牲阳极的可能性。用于外加电流法的惰性阳极，包括新材料，新结构，近年也有发展。使用贵金属包覆阳极的增多，因为据说经济上综台考虑是值得的。在构筑物密集的城市地下实施外加电流阴极保护时，已推广应用深埋阳极，以减小对周围的干扰。阴极保护的应用范围也在继续扩大，为了对付混凝土钢筋的腐蚀问题，阴极保护已作为项主要的防蚀措施而提出。传统的阴极保护技术只能应用于液
17、体电解质或以此为导电组分的腐蚀环境(如土壤)中，不能控制大气腐蚀和水线以上的腐蚀，因为保护电流不能达到与液体电解质接触的金属表面。3.4.2阳极保护阳极保护适用于具有活化-钝化转变的体系。它依靠通入阳极极化电流使金属电极电位正移，在表面生成钝化膜，从而减缓了腐蚀。它的特点是：在进入稳定的钝态后，腐蚀速度显著降低， 日常运行费用也低，在正常情况下可以达到十分有效的保护；阳极保护时电位分布比较均匀，能够应用于形状较复杂的设备，为了使电位进入稳定钝化区，阳极保护的电位控制要求比较严格，不然的话，可能有增加阳极溶解的危险。阳极保护主要应用在化工设备的防腐蚀。我国也正在推广应用，例如碳化塔冷却水箱阳极保
18、护，氨水罐群循环捧化法阳极保护。最近，为了解决硫酸生产中低温余热利用设备的腐蚀问题，对不锈钢管壳式酸冷却器采用了阳极保护技术，已达到六万吨级设备的规模，被国家科委列为19891991年重点推广项目。除了控制一般腐蚀以外，已经发现阳极保护还能防止环境敏感腐蚀破坏，例如碱性硫化物溶液中压力容器钢的应力腐蚀破裂，碳钢，不锈钢在硝酸铵溶液和 10H2SO4溶液中的腐蚀疲劳。3.5合理的结构设计 (1)尽量避免小阳极大阴极的结构。相反，阳极面积大阴极面积小的结构，往往电偶腐蚀并不显著。 (2)将不同金属的部件彼此绝缘。 (3)插入第三种金属。当绝缘结构设计有困难时，可以在其间插入能降低两种金属间电位差的
19、另一种金属或者采用镀层过渡。(4)将阳极性部件设计成为易于更换的，或适当增厚以延长寿命。 4 结论2 l世纪，尽管各种新材料大量涌现。但展望21世纪，钢铁材料的使用量也将大幅度增加，因而面向 2 l的金属腐蚀与防护科学仍处于可持续发展阶段，并随其相关学科（如材料的断裂力学、电化学、有机化学、物理化学等学科）、相关技术(无机填料 表面处理技术、原位多相聚合处理技术、激光表面合金化、激光熔覆等技术) 的发展呈跨学科、多方向性发展趋势。参考文献1. 石声泰，张允书.金属腐蚀与防护科学技术的发展与前瞻.腐蚀与防护，1990年1期.2. 陶琦.金属腐蚀及其防护措施的研究进展.腐蚀与防护，2007年4月.
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