金属腐蚀与防护复习教材.docx
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金属腐蚀与防护复习教材
金属腐蚀与防护复习:
1、金属腐蚀的定义、分类、金属腐蚀速度的表示及测定方法
定义:
金属在周围介质(最常见的是液体和气体)作用下,由于化学变化、电化学变化和物理溶解而产生的破坏
分类:
按腐蚀环境分类:
化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀
按腐蚀过程的特点分类:
化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀
按金属被腐蚀的基本特征分类:
全面腐蚀、局部腐蚀(局部腐蚀的种类很多,如应力腐蚀破裂、小孔腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀等)
腐蚀速度的表示:
1.重量指标:
金属因腐蚀发生的重量变化,换算成相当于单位金属表面积在单位时间中的重量变化的数值。
可以用减重(V-)表示,也可以用增重(V+)表示——单位:
克/米2·小时
2.深度指标:
将金属的厚度因腐蚀而减少的量以线量单位表示,并换算成相当于单位时间的数值。
——单位:
毫米/年
3.电流指标:
以金属电化学腐蚀过程的阳极电流的大小来衡量金属的电化学腐蚀速度。
——单位:
安培/厘米2
测定方法:
塔菲尔直线外推法、线性极化法
2、金属腐蚀与防护学科的研究内容、目的和意义
内容:
1.研究并确定金属在介质的物理化学作用下被破坏的普遍规律
2.研究在各种条件下使用金属构件时控制腐蚀的方法
目的:
减少金属工件制品在各种条件下的服役损耗,减少或消除因机械零件腐蚀而造成的工伤事故,节约使用材料和提高机械零件的使用寿命
意义:
通过研究腐蚀过程中的理化反应,制定出合理的经济的防护手段,避免或减少机械零件在使用过程中的腐蚀与消耗
三、具有保护性的金属氧化膜应该具有的特点:
1.膜必须是紧密的、完整的、能把金属表面全部遮盖
2.膜在介质中是稳定的
3.膜和主体金属结合力要强,有一定的塑性和强度
4.膜具有与主体金属相近的热膨胀系数
四、促进金属氧化膜增长的动力以及膜增厚的方式
五、腐蚀电池的构成、类型以及其工作原理+PPT
电池表达式
(-)电极材料|电解质溶液1||电解质溶液2|电机材料(+)
电极表达式
电极材料|电解质溶液
电极的两种概念:
电子导体和粒子导体形成的一种体系
仅仅指电子导体而言的导电体系
电极电位:
指相对于氢标电极的电位高低。
标准氢电极的电位称为电极电位的氢标度
六、用电极电位判断金属电化学腐蚀的倾向
金属电化学腐蚀倾向的判断:
1.用热力学函数判断
可以用自由焓判据(△G)T,P<0
2.可以用化学势判断∑νiμi≤0
用标准电极电位判断腐蚀倾向:
1.标准电极电位表也称为电动次序表,可以用电动次序表近似判断其腐蚀倾向
2.用电偶序判断腐蚀倾向的准确性要比使用电动序高,其原因在后面介绍。
用电动序也好,电偶序也好,都是一个近似的判断,因为金属的活泼性与腐蚀难易程度不仅和金属的本性有关,还和金属的表面状态等很多的因素有关。
七、平衡电极电位、非平衡电极电位、腐蚀电位、稳态电位
平衡电极电位:
在标准状态下,将各种电极分别与标准氢电极组成一个电池,测得的可逆电池的电动势就是该电极的标准相对平衡电极电位φ0e,I
非平衡电极电位:
在非可逆电极的表面形成的具有一定固定的数值的电极电位值,此电极电位值就是非平衡电位。
腐蚀电位:
稳态电位:
在共轭系统中,电极电位不随时间而变的电位称为稳定电位(也称为混合电位)
八、铁-水系统的电位-pH图的结构及在防腐研究中的应用
应用:
九、极化的概念、引起原因,极化曲线的含义、类型、应用
极化的概念:
由于通过电流而引起原电池两极间电位差减小并因而引起电池工作电流强度降低的现象称为极化
通过电流时阳极电位向正的方向移动的现象,称为阳极极化
通过电流时阴极电位向负的方向移动的现象,称为阴极极化
消除或减弱极化作用的电极过程称为去极化作用或去极化过程
能消除或减弱极化作用的物质叫去极化剂
极化曲线的意义:
1.从极化曲线的形状可以看出电极极化的程度,从而判断电极过程的难易。
极化曲线陡,极化率较大,电极反应过程阻力大
极化曲线平,极化率较小,电极反应过程阻力小
2.极化曲线是考察金属腐蚀过程机理和探讨控制腐蚀的措施的重要依据,测定极化曲线是金属腐蚀与防护中的重要基本方法
腐蚀极化图的应用:
1.比较各项阻力的控制程度以确定主要的控制因素
2.解释腐蚀现象
3.分析腐蚀过程的性质及影响因素
4.判断添加剂的作用机理
5.计算多电极系统的腐蚀问题
极化过程的三个主要步骤:
1.液相传质步骤反应物由相的内部向相界移动的过程
2.电化学步骤反应物在电极表面进行电子得失过程
3.生成新相步骤产物离开电极表面向溶液相内部疏散的过程
极化原因与类型:
1.电化学极化:
控制步骤:
电化学步骤
极化原因:
由于电极反应所需的活化能较高造成,因此,电极电位就要相应的向正移或向负移
稳态极化:
在阴极电流密度和阳极电流密度相等的状态称为稳态
在稳态时的极化称为稳态极化
最典型的外部特征是外电流为恒定值
2.浓度极化:
控制步骤:
液相传质步骤(包含过程:
对流——扩散——电迁移)
极化原因:
由于电极表面和溶液深处的反应物和产物的浓度出现差别,这种浓度的差别导致的极化
十、析氢腐蚀、吸氧腐蚀的概念、发生过程、极化曲线特点及主要影响因素
氢去极化腐蚀:
是指以氢离子还原反应为阴极过程的腐蚀。
过程:
1.金属原子离开金属晶格成为吸附在金属表面上的吸附原子
2.溶液组分在金属表面上的吸附
3.水合金属离子的形成
4.水化金属离子离开金属表面附近的溶液层向溶液深处扩散
氢去极化腐蚀的特征(影响因素):
阴极反应的浓度极化较小,一般可以忽略,原因:
迁移速度和扩散速度大
去极化剂浓度大
产物以气泡形式离开,使金属(电极)表面附近的溶液得到教充分的附加搅拌作用
与溶液的pH值关系很大
与金属材料的本质及表面状态有关
与阴极面积有关,阴极区的面积增加,氢过电位减小,阴极极化率减小
与温度有关,温度升高使氢过电位减小
氧去极化腐蚀:
是指以氧分子还原反应为阴极过程的腐蚀。
过程:
1.氧向金属表面的输送过程
2.氧离子化反应过程
极化曲线特点:
此图是氢作为唯一去极化剂的时候的典型曲线
在氢的平衡电位没有氢气析出
氧去极化腐蚀的一般规律
氧去极化腐蚀的影响因素:
1.溶解氧的浓度的影响:
溶解氧的浓度增大,氧的极限扩散电流密度将增大,氧离子化反应速度也将加快,导致氧去极化腐蚀的速度增大,
氧的浓度大到一定程度,当腐蚀电流密度增大到腐蚀金属的致钝电流密度,而使金属由活性溶解状态转为钝化状态时,金属的腐蚀速度将要显著降低
2.溶液流速的影响:
在氧浓度一定的条件下,极限扩散电流密度与扩散层厚度成反比
溶液流速越大,扩散层厚度越小,氧的极限扩散电流密度就越大,腐蚀速度越大
搅拌作用相当于提高流速
3.盐浓度的影响:
盐浓度的加大,提高了溶液的导电性,腐蚀速度会有所上升
盐浓度的加大,降低了氧气的溶解量,使金属的腐蚀速度下降
十一、钝化的概念、极化曲线的特点,从极化曲线的关系判断钝化形成条件第三讲
钝化的概念:
在金属电极电位发生正移之后,因为金属表面状态的突变而使金属的腐蚀速度大幅降低的状态。
极化曲线:
钝化形成的条件:
12、局部腐蚀的类型(重点电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀)PPT
电偶腐蚀的概念
异种金属在同一介质中接触,由于腐蚀电位不相等有电偶电流流动,使电位较低的金属溶解速度增加,造成接触处的腐蚀。
而电位较高的金属,溶解速度反而减小,这就是电偶腐蚀,亦称接触腐蚀或双金属腐蚀
电偶腐蚀发生的场合
在设计中使用了不同种材料的连接
在设备或工件上异种金属没有直接连接,但是可以有其他的间接接触而造成的接触电池
电偶腐蚀中的阳极部位
电位较低的金属
电偶腐蚀的原理
最简单的理解就是异种金属接触之后构成腐蚀电池,电位低的金属充当电池的阳极,其腐蚀过程加剧
差异效应
腐蚀着的电池,由于外加阳极极化引起其内部腐蚀微电池电流的改变,这种现象称为差异效应
正差异效应外加阳极极化引起腐蚀微电池电流减小的现象
负差异效应外加阳极极化引起腐蚀微电池电流增大的现象
对于差异效应的判断主要是考虑在与另一个金属的接触前后其本身电极反应量是增大还是减小,而不是总的反应量
电偶序(P145)与电偶腐蚀倾向
提出原因
在判断金属的电偶腐蚀中,用标准电极电位判断差异太大
形式
在不同的腐蚀环境,金属的电化学表现差别很大,因此,电偶序采用相对电位高低来表示
表的上方为阳极体作用的材料,下方的材料则是充当阴极体
电偶序是根据金属(或合金)在一定条件下测得的的稳定电位的相对大小排列而成的表
能说明的问题
当两种材料在列表的腐蚀环境中组成偶对时,位于表上方的材料起到阳极体的作用,另一个材料充当阴极体
组成偶对的材料如果在表中相隔较远,则发生较严重的腐蚀
在材料相距较近的情况下,用电偶序判断腐蚀倾向时需要注意腐蚀环境的条件,因为这样的偶对有出现反向的现象
位于表中同一行的材料,在腐蚀过程中其腐蚀速度较小,基本可以忽略不计
利用电偶序判断倾向时是利用热力学的数据对腐蚀的方向和限度的预期,其中没有考虑动力学的因素,腐蚀发生和腐蚀速度的大小主要决定于极化因素,因此,只有在将热力学和动力学的因素统一考虑才是比较全面准确的
电偶腐蚀的控制
尽量避免异种金属的接触
在必需使用异种金属接触的场合,必需注意不同材料间的绝缘问题
避免采用大阴极小阳极的结构
在需要接触的异种材料的表面采用不同的表面处理技术,形成表面绝缘层影响因素
面积比随阴极和阳极面积比增加,作为阳极体的金属的腐蚀速度加快
介质的导电率
介质的导电率越大,金属腐蚀速度越大
在电导率较低的介质中,由于导电能力较低,因此在腐蚀过程中金属腐蚀的范围较小,相当于减小了金属阳极的面积,使金属的腐蚀溶解速度加快
孔蚀的概念
在金属表面的局部地区,出现向深处发展的腐蚀小孔,其余地区不腐蚀或腐蚀很轻微,这种腐蚀状态称为小孔腐蚀,简称孔蚀或点蚀
具有自钝化特性的金属(合金),如不锈钢、铝等材料易于发生孔蚀
孔蚀的特征
蚀孔小且深
孔的位置分布不均匀,有的集中,有时分散
孔口一般有腐蚀产物覆盖,少数呈开放式
腐蚀开始之前具有诱导期,诱导期的时间长短随材料不同及腐蚀条件不同而不同,长的可达几年,短的可以是以小时计算
孔蚀通常沿着重力方向或横向方向发展,朝上的面是其起点面,一旦开始之后具有深挖能力
孔蚀机理
孔蚀核氯离子优先吸附于钝化膜表面,将氧离子排挤开,形成氯化物使基体金属显露,生成的小蚀坑
孔蚀源孔蚀核继续长大之后,到达一定的临界尺寸之后,在金属表面形成宏观可见的蚀孔,蚀孔出现的特定点
“深挖”是指在形成了蚀孔之后,在外界条件的作用下,腐蚀向材料内部纵深方向发展的过程
自催化酸化作用是指在形成闭塞电池以后,孔内酸化从而加速腐蚀的作用,此现象称为自催化酸化作用
影响孔蚀的因素
金属或合金的性质
自钝化能力越强则敏感性越强
表面杂质、缺陷越多越易于形成孔蚀
介质
含有氧化性金属阳离子的氯化物是强烈的孔蚀促进剂
溶液的pH值对孔蚀的发生影响不大
温度
温度升高使孔蚀加速
流速
孔蚀适宜于在静止状态下进行,流速增大,加大了氧气向表面的输送,使钝化易于形成
另一方面减少沉积物在金属表面沉积的机会
孔蚀的控制
合金化
精炼
减少介质中的孔蚀促进剂
循环体系中增加缓蚀剂
表面钝化处理
电化学保护
缝隙腐蚀的概念
金属部件在介质中,由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙,使缝隙内介质处于滞流状态,引起缝隙内金属的加速腐蚀,这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀
缝隙腐蚀发生的条件
缝隙腐蚀发生的缝隙一般是宽度在0.025-0.1mm范围内的
几乎所有的金属都可以发生缝隙腐蚀,自钝化倾向越大的金属发生缝隙腐蚀的倾向越大
在所有的介质条件下都可以发生缝隙腐蚀,以充气的含活性阴离子的中性介质为重
比较项目
缝隙腐蚀
小孔腐蚀
发生条件
材料表面
特小缝隙
孔蚀核
环境介质
任意
含活性阴离子
腐蚀过程
蚀坑形成
已有缝隙,较快形成闭塞电池
通过腐蚀形成小孔,进而成为闭塞电池
闭塞程度
小
大
击穿电位
较低,易于发生
较高,不易发生
二次钝化前的表现
原有的可以继续,也可以发生新的腐蚀点
原有的可以发展,不产生新的孔蚀
腐蚀形态
广而浅
深而窄
影响缝隙腐蚀的因素
金属材料特性
介质中的活性阴离子的含量
氧气含量
温度
缝隙腐蚀的控制
采用高钼铬镍不锈钢可以耐缝隙腐蚀
改变连接方式,避免产生缝隙的部位
不宜采用吸湿性的垫片和隔离材料
采用电化学防护方法
晶间腐蚀的概念
腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展,晶粒本身腐蚀很轻微,这种腐蚀称为晶间腐蚀
晶间腐蚀不易发现,发生晶间腐蚀的金属,其机械性能大大降低,腐蚀严重的可使金属的机械性能完全丧失
不锈钢、镍基合金、铝合金、镁合金等都是晶间腐蚀敏感性高的材料
晶间腐蚀的机理
贫化锂论
晶界杂质选择溶解理论
杂质在达到一定的含量以后,会经偏析过程富集于晶界处,在强氧化性介质的作用下便发生溶解
钢在经过敏化处理以后,由于在晶界出形成的一些化合物或碳的首先偏析限制和抑制了其他杂质如磷等杂质的偏析,因此,其晶界腐蚀反倒不易发生
以上的两种机理,各自适用的场合是不一样,并不互相矛盾,而是互相补充
晶间腐蚀的控制
重新固溶处理
稳定化处理
采用超低碳不锈钢
采用双相钢
十三、自然环境中的腐蚀特点(重点大气腐蚀及海水腐蚀)PPT
大气腐蚀的概念
金属在大自然环境条件下的腐蚀称为大气腐蚀
金属材料的大气腐蚀机制主要是材料受大气中所含的水分、氧气和腐蚀性介质(包括雨水中杂质、烟尘、表面沉积物等)的联合作用而引起的破坏
大气腐蚀的电化学特征
阴极过程是氧的去极化作用
阳极过程是金属的溶解和水化
大气腐蚀的特点
干的大气腐蚀
过程比较简单,由纯化学过程引起
腐蚀速度小
破坏性较小
湿的大气腐蚀
金属在电解液膜下进行腐蚀
腐蚀过程类似金属在电解质溶液中的过程,但是又有所区别,和液膜厚度、液膜性质类型的关系较大
腐蚀过程通过电池进行,主要是微观腐蚀电池作用
潮的大气腐蚀
在电解质液膜下发生,但与湿的大气腐蚀相比其大气相对湿度小于100%
液膜极薄,氧气透过比较容易,氧去极化腐蚀为主要过程
腐蚀产物膜在干湿交替的过程中,会发生腐蚀产物的氧化还原过程,在腐蚀中得到的高价金属离子在无氧的情况下,被还原成低价,然而在干燥情况下,被大气中的氧氧化到高价,这种过程促进了金属的腐蚀发生
海水腐蚀的特点
海水腐蚀为电化学腐蚀;海水腐蚀的阳极极化阻滞对大多数金属(铁、钢、铸铁、锌等)都很小,因而腐蚀速度相当大;海水氯离子含量很高,Cl-破坏钝化膜,因此大多数金属在海水中不能建立钝态,在海水中由于钝化的局部破坏,很容易发生空隙和缝隙腐蚀等局部腐蚀。
不锈钢在海水中也遭到严重腐蚀;多数金属阴极过程为氧去极化作用,少数负电性很强金属(Mg)及合金腐蚀时发生阴极氢去极化作用;海水电导率很大,海水腐蚀电阻性阻滞很小,所以海水腐蚀中不仅腐蚀微电池的活性大,腐蚀宏电池的活性也很大。
海水的电阻率很小,因此异种金属接触能造成的显著的电偶腐蚀。
其作用强烈,作用范围大
14、涂层的作用,涂料的组成
涂层的作用:
1.保护作用
主要是机械的隔离作用,将介质和基体分隔开,起到一定的保护作用
2.装饰作用
涂料可以有丰富的色彩和表观质感,具有很好的装饰作用
很多情况下主要就是利用其装饰作用,其他作用都是次要的
3.特殊作用
主要是涂料中的次要成膜物质产生,如防污、绝缘、伪装等
涂料的组成:
1.主要成膜物质:
油料(干性油、半干性油)+树脂(天然树脂、合成树脂)
2.次要成膜物质:
颜料(着色颜料、防锈颜料、体质颜料)
3.辅助成膜物质:
稀释剂(溶剂、稀释剂)+辅助料(催化剂、固化剂、增塑剂、触变剂)
十五、实施金属覆盖层的基本方法(重点电镀、化学镀、喷镀)PPT
电镀
是利用电解过程将其他种类的金属镀覆到被保护的金属基体表面的工艺
电镀工艺过程
除油液
除油液一般是使用碱性溶液在加热条件下进行化学除油,也可以附加电解过程
除油液配方
主要成分是碳酸盐和碳酸氢盐
表面活性剂
有时还需添加一些特殊的组分
酸洗液
酸洗主要是除锈的作用,一般在电镀过程中有两步酸洗,强侵蚀和弱浸蚀
强浸蚀的作用主要是去锈
弱侵蚀的作用主要是活化金属表面和去掉在强浸蚀之后,进入镀液之前在金属表面生成的浮锈
酸洗液的成分
盐酸
硫酸
缓蚀剂
电镀液
电镀液是实施电镀的主要溶液
电镀液的主要成分
主盐提供被镀离子
缓冲剂维持电镀液的pH值
配合剂控制溶液中的被镀离子的浓度
助剂改善电流分布、提高电流效率、改善镀层外观质量
后处理
后处理不是每种镀层都需要的
主要作用
封闭镀层孔隙提高耐蚀能力
改变工件外观美化成品
应用
可镀单一种类的金属
可以镀合金
注意
在工件形状比较复杂的时候要考虑阳极的位置和个数
金属离子的浓度不要太大
化学镀
化学镀是不需要外加电源,直接利用氧化还原反应,在金属表面形成金属覆盖层的工艺
化学镀的优势
可以处理任意形状的工件
镀层厚度均匀
不需要电源
工艺操作简单
化学镀配方
主盐提供被镀离子
还原剂能够还原被镀离子的化合物
缓冲剂维持镀液pH值
配合剂稳定被镀离子,控制被镀离子浓度
稳定剂稳定镀液不发生自分解反应
助剂
应用
获得金属覆盖层
作为非导电性材料的表面电镀处理的基础
喷镀
是将被镀金属熔化之后,在压缩空气的吹动下雾化成小的液滴,喷射到工件表面,形成金属覆盖层
方法
火焰喷镀利用可燃气体燃烧发出的热量将金属熔化
电喷镀利用直流电源产生的电弧,使金属熔化
等离子体喷镀利用等离子体加热的方式是被镀物质熔化
特点
对工件表面要求不高
对工件尺寸要求不高,可以加工较大尺寸的工件
新发展起来的等离子体喷镀使工件种类和镀层种类都可大大扩展
表面粗糙度较高
不适于加工形状复杂的工件
应用
在大尺寸工件表面获得表面金属覆盖层
工件的修补
装饰性喷涂
16、常见化学转化膜(重点磷化、发蓝)
钢铁的发蓝:
是在人为的条件下使用氧化剂将钢铁表面氧化形成磁性氧化铁,因为此膜得到颜色是蓝黑色的,因此称为钢铁的发蓝或发黑.
发蓝工艺:
碱性发蓝、酸性发蓝
发蓝膜的特点:
在干燥条件下的防腐蚀效果很好、不耐水、工件尺寸性好
钢铁发蓝工艺(碱性发蓝)
1.表面处理:
2.发蓝:
发蓝液:
氢氧化钠、亚硝酸钠
温度:
150℃左右
时间:
不同情况不同,一般在一小时左右
3.后处理:
用作防腐蚀的发蓝膜通常使用浸油处理。
磷化处理:
钢铁件在磷酸盐溶液中,在一定条件下,获得的一种磷酸盐保护层的工艺。
磷化工艺:
1.防锈磷化工艺
除油除锈—水清洗—表面调整活化—磷化—水清洗—铬酸盐处理—烘干—涂油脂或染色处理
2.耐磨减磨磷化工艺
除油除锈—水清洗—锰系磷化—水清洗—干燥—涂润滑油脂
3.减磨润滑磷化工艺(冷加工)
除油除锈—水清洗—锌系磷化—水清洗—皂化(硬脂酸钠)—干燥
磷化膜的特点:
1.属于多孔结晶性沉淀膜
2.与基体结合力较高
3.在潮湿条件下的耐蚀性较差
4.膜层强度低,润滑性好
应用:
表面防腐处理、工序间防锈、涂层的底漆、冷加工过程的润滑层
十七、结构设计中的常见问题以及错误的修改
十八、阴极保护的原理,实施方式,保护系统
十九、阳极保护的原理,实施方式,保护系统
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