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常见金属材料腐蚀性探究

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摘要:在日常结构应用中,因材料腐蚀而造成结构失效的情况很多。从金属材料腐蚀的机理入手,分析其产生的原因,找出减轻腐蚀影响的措施。从而达到延长零部件寿命的目的。

关键词:金属材料;腐蚀;机理;措施

0引言

在结构设计中,金属材料的使用是很广泛的,如钢、铝、铜等等。如果缺乏对腐蚀现象的深入了解,认识不到其危害性,那么往往在预防腐蚀方面缺乏有效的措施。腐蚀的危害具有多方面的特点,不仅对国民经济造成损失,对材料产生损耗,还对环境造成污染。

1常见腐蚀种类

常见腐蚀可分为不同种类:

1.1全面腐蚀

全面腐蚀可在材料的大部分面积或全部暴露的表面上出现,具有电化学或化学反应等特征。如钢材在强酸和强碱中的腐蚀,如盐酸、硫酸等。

1.2缝隙腐蚀

缝隙腐蚀发生的原因是由于沉积物、孔洞、搭接缝以及螺栓缝隙内存在一些静止液体。浸在腐蚀介质中的金属,其缝隙腐蚀现象大多发生在宽度大于0.1mm的缝隙处,在该处和周边地方常常发生腐蚀,这种腐蚀的形式被称为缝隙腐蚀。

1.3孔蚀

孔蚀具有很大的破坏性,因此具有很大的隐患。孔蚀主要表现在金属表面的一些小点,很容易造成材料穿孔。常见的孔蚀发生的情形体现在含氯离子的环境中使用钢材,由于经过很长时间的孕育期后蚀孔的深度以及数目才会显现出来,同时腐蚀面积不大,从而常常比较难以发现。大多数氯化物和含氯离子的液体等都会造成孔蚀。

1.4晶间腐蚀

晶间腐蚀常出现在晶界或者晶界附近。这种腐蚀通常是比较小的,尤其对于晶粒本身而言。该腐蚀是因在晶界里存在的杂质或某一合金元素变化而引起的,例如铝中含铁而在晶界析出的现象,即是由于晶间腐蚀。

1.5应力腐蚀破裂

应力腐蚀是一种脆性破坏,由于受拉应力的材料在某种特定的腐蚀介质作用下而产生。应力腐蚀在目前仍然是一种很难用理论解释的破坏现象。

1.6磨损腐蚀

如果在含腐蚀性的介质中该腐蚀介质与工件之间存在相对运动,则容易使腐蚀过程出现加速现象。这种腐蚀磨损存在沟洼状和波纹状的现象,同时具有一定的方向性。金属及其表面氧化膜不仅受到腐蚀液体的冲刷作用,同时因冲刷而露出的新鲜金属表面又容易发生激烈的电化学腐蚀,从而破坏速度很快。常见腐蚀形态如图1所示。

2腐蚀机理分析

2.1铝合金腐蚀机理

在能源、建设、交通、工业等不同领域,由于铝及其合金具有优异的性能,从而具有广泛的应用,其可在没有保护的情况下长期使用。表面出现浅坑从而变得粗糙不平是铝合金在大气中腐蚀的常见表现。铝及其合金在大气中具有一定的耐腐蚀性,这是由于在铝及其合金表面生成一层氧化膜。这层氧化膜可以在室温中生成,并且这层氧化膜在大气中具有自我修复的功能,同时该氧化层比较致密。环境的相对湿度、温度对铝的大气腐蚀有重要影响。除此之外,二氧化硫的浓度、氯离子的含量、雨水酸度等对大气腐蚀也有影响。电解质、雨水等易于出现在铝表面小孔内,从而也会使铝处于一种腐蚀的状态。在这种情况下,污染层、腐蚀产物和铝合金及其氧化膜是铝合金表面在大气中的主要组成。铝的氯化物具有可溶性特点,而氯离子的存在又是铝及其合金在大气中产生腐蚀的重要原因。由于Cl-进入到腐蚀产物层,氯离子通过逐渐取代氢氧化铝表面上的OH-生成AlCl3,从而造成腐蚀加剧。

2.2碳钢的腐蚀机理

使用钢材作为预埋件在日常应用中是比较常见的,因此,很有必要对碳钢腐蚀展开研究。在pH大于等于12.6的碱性环境中,钢材的表面将会产生一层钝化膜,该钝化膜是致密的,且其中包含有硅氧键,从而起到对钢材的保护作用。钝化膜将会由于氯离子吸附于局部而降低该处的pH值,从而使该处被破坏,材料基体由于作为阳极而受到腐蚀,从而产生点蚀,并且会发展的十分迅速。在含氯离子环境中,碳钢腐蚀速度与时间存在一定关系。通过对低碳钢在3%浓度的NaCl溶液中腐蚀性展开研究,可建立腐蚀速度与时间的关系。

3防腐蚀措施

3.1铝阳极氧化技术

由于铝在空气中是会发生氧化的,在空气中其表面可形成一层氧化膜。但其自然形成的一层氧化膜不能起到完全的保护作用,从而不足以真正全面地保护材料基体。对铝及其合金进行阳极氧化能提高铝及其合金的耐腐蚀性,同时保持其耐磨性。普通阳极氧化和硬质阳极氧化是铝常用的阳极氧化方法。此外,按电源不同可分为直流法、交流法、交直流叠法、脉冲电源法等。阻挡层和多孔层是铝及其合金氧化膜的主要组成部分。阻挡型氧化膜具有绝缘性好的特点,要通过阳极氧化得到该种类型氧化层,需要在接近中性的电解液中进行阳极氧化。多孔层氧化膜具有排列紧密的特点,其膜孔近似于圆形,为含星形孔的六角柱形的小单元。多孔型氧化膜结构特别,每个膜胞中心都有个纳米级的微孔,从而使多孔型氧化膜具有良好的耐蚀性和耐磨性。多孔型氧化膜不仅具有制备工艺简单,膜厚可调节等特点,而且对环境条件要求低。铝及其合金阳极氧化膜的初期生长期,氧化膜厚度均匀一致。在阳极氧化开始时,铝及其合金表面生成水合氧化铝,多孔型氧化膜结构的雏形即形成于该时期。铝及其合金表面的显微不平是多孔型氧化膜形成的主要原因,电流会由于铝及其合金表面的显微不平而造成分布不均。随着时间的推移,铝及其合金氧化进一步进行,在氧化膜的外表面开始形成细小的通道。铝及其合金氧化膜在铝及其合金表面突出部位的生长,为形成多孔氧化膜结构创造了条件。铝及其合金的多孔层氧化膜厚度随着电流密度增大而增大,电流密度超过临界值时,阳极氧化膜的增厚将会变慢,甚至在某些情况下无法生成。对于铝及其合金部件的配合部位以及密封面,不仅对氧化膜层硬度和厚度具有较高要求,且对粗糙度还有要求。通过对铝及其合金阳极氧化零件膜层增长速率的分析,同时对氧化过程中电流密度、表面状态等的测定,可以找出影响阳极氧化膜层性能的主要原因。

采用不同的工艺参数,铝及其合金所生成的氧化膜是不同的。阳极氧化膜的性能与结构即由不同的工艺参数决定。因此,研究不同工艺参数对具体材料的阳极氧化膜厚、耐腐蚀性、成膜时间以及耐磨性等的影响很有意义。铝及其合金阳极氧化膜厚随着氧化时间增长而加厚。在开始的阶段增厚较快,一定时间后变慢,氧化时间决定了氧化膜的厚度和均匀致密性。由于铝及其合金的氧化过程是一个放热的过程,同时由于阳极氧化膜的形成是一个生成与溶解相互竞争的过程,热量随着时间的增长而增多,从而加快了溶解的速度。因此,应按照所需材料功能的需要,合理控制氧化时间。对铝及其合金阳极氧化膜的形成起着重要作用的还包括电流密度。电流密度增大会加大铝及其合金氧化膜的溶解力度,加快电解液温度的升高,从而减少膜的晶型结构成分,增加非晶态膜成分。电解液对生成的铝及其合金的氧化膜性能也有影响,主要体现在如下方面:硫酸、铬酸和草酸溶液等生成的氧化膜和多孔层较厚,阻挡层则相对较薄,原因是由于其具有的二次溶解能力较好。硼酸则生成以阻挡层为主的氧化膜,原因是由于其二次溶解能力较差。研究表明,铬酸、草酸、硫酸生成的孔径依次减小,孔隙率则相反。硫酸、铬酸、草酸和硼酸溶液所生成的氧化膜的致密性和附着力也存在不同。电解液的温度对铝及其合金的氧化层性能也有影响。电解液如果温度达到一定程度,甚至无法形成氧化膜。其原因是由于随着电解液温度的升高,氧化膜被电解液溶解的速度也越快,从而使形成的氧化膜厚度降低。降低电解液的温度,可以使生成的铝及其合金的氧化膜增厚,从而可以提高耐腐蚀性能。

3.2钢材表面处理技术

钢材表面处理通常包括工具打磨、磨料喷射以及抛丸清理等常见方法。对于结构复杂的部件,其长效防腐蚀可采用热喷涂方法,其包括热喷涂铝(锌)复合涂层等。这种方法对部件尺寸适应性强,对不同形状的部件都可采用,且具有局部的热影响,从而不会使工件产生变形。在喷涂之前需对部件进行预处理,使部件表面无污染,同时露出金属表面,而后使用压缩空气将熔化的铝(锌)丝送出,以一定的速度喷射到部件表面。对于在室内使用的钢结构或相对易于维护的室外钢结构,可在部件表面涂覆防腐蚀涂料。防腐涂层是一个隔离层,其可以将待防腐部件与外界的腐蚀介质隔离开,从而起到对被保护材料的防腐。使用成膜剂获得致密的防腐涂层,可增大电阻,同时隔断腐蚀电池通路,从而起到防腐作用。氢氧化铝和氢氧化钡等易与酸碱等物质发生化学反应,从而也可以实现放腐。如果将使钢铁表面钝化的特殊物质添加入防腐涂料,也可使金属基体得到防腐保护。其是通过防腐涂料与水分及氧气发生反应从而形成防腐离子来实现的。随着对新产品外观和表面性能的要求越来越高,采用单一涂层和镀层已不能满足使用要求。因此,采用镀层和涂层相结合的新工艺是一个新途径。此外,还可采用生成不溶性磷酸盐的磷化处理的方法,该不溶性磷酸盐形成一层保护膜。磷化处理技术用猛、锌等的正磷酸盐溶液对金属表面进行处理,是发展很迅速的表面处理技术。这种磷酸盐保护膜存在于被保护的基材表面,其具有防锈、耐磨等功能。磷化技术处理的温度从原来将溶液煮沸到现在室温即可进行处理,时间从以往以小时计到现在以分钟计,从而大大扩展了其应用范围。磷化液组成及浓度、磷化工艺、后处理以及基体材料的性质决定了磷化膜的性质。常温磷化膜呈晶体结构,松枝状辐射展开,这样可以造成分布均匀、凹凸不平的形貌,从而可以提高涂层与基体的附着力,提高耐腐蚀性。

4结语

结合具体应用场合选择合适的金属材料是预防腐蚀最常用的方法。对于不同的材料,选择合适的阳极氧化或表面处理方法对取得预期结构寿命具有重要意义。本文针对常见金属材料腐蚀机理展开论述,提出了防腐蚀措施,对日常工作具有一定指导作用。

参考文献

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作者:韩小明 单位:艾沛克斯(上海)企业管理有限公司

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