自然環(huán)境之大氣腐蝕(一）——金屬大氣腐蝕的影響因素
 

　　文/程學(xué)群 ·北京科技大學(xué)
 

　　本文簡單介紹了金屬在大氣中受到腐蝕的原因,并列舉了主要的影響因素。
 

　　地球表面上自然狀態(tài)的空氣稱為大氣。大氣是組成復(fù)雜的混合物，從全球范圍看，它的主要成分幾乎是不變的,但其中的水汽含量是隨著地域、季節(jié)、時間等條件而變化的。參與金屬大氣腐蝕過程的主要組分是氧和水汽,二氧化碳雖參與鋅、鐵等某些金屬的腐蝕過程,形成碳酸鹽腐蝕產(chǎn)物,但它的作用是很次要的。隨著地區(qū)條件的不同大氣有不同的特征,例如海洋大氣中隨著離海岸線距離的不同,就有不同的含鹽量;工業(yè)大氣中則含有S0₂、H₂S、NH₃和N0₂等雜質(zhì)及各種懸浮顆粒和灰塵;而農(nóng)村地區(qū)的大氣都比較潔凈。
 

　　大氣腐蝕是人類最早發(fā)現(xiàn)的腐蝕類型,這是因為大部分金屬及其制品是在大氣環(huán)境下存放和使用的,例如橋梁、鐵道、機械設(shè)備、車輛、電工產(chǎn)品以及武器裝備等多數(shù)是在大氣環(huán)境下使用,相比于其它類型的環(huán)境腐蝕,大氣腐蝕是一種更加普遍的現(xiàn)象,無論在室內(nèi)或室外,金屬都會發(fā)生大氣腐蝕(見圖1 )。據(jù)統(tǒng)計因大氣腐蝕而損失的金屬約占總腐蝕量的一半以上。下面列出影響金屬材料在大氣環(huán)境中腐蝕性的一些主要因素。
 

　　圖1金屬在大氣環(huán)境下的腐蝕狀態(tài)

環(huán)境因素
 

　　濕度
 

　　當(dāng)金屬表面處在比其溫度高的空氣中,空氣中含有的水蒸汽將以液體凝結(jié)于金屬表面上,這種現(xiàn)象稱為結(jié)露。金屬表面能否結(jié)露與空氣的濕度有關(guān)。一般講空氣中濕度越大,金屬表面結(jié)露越容易,表面上的電解液膜存在的時間也越長,腐蝕速度也相應(yīng)增加。各種金屬都有一個腐蝕速度開始急劇增加的濕度范圍，使金屬大氣腐蝕速度開始急劇增加的大氣相對濕度稱為臨界濕度。鋼鐵、銅、鎳、鋅等金屬的臨界濕度約在50%～70%之間。可知如果相對濕度達60%以上時,鋼的腐蝕量就急劇上升;而小于60%時腐蝕量很小。
 

　　溫度
 

　　結(jié)露與溫度有關(guān),在臨界濕度附近能否結(jié)露和氣溫變化有關(guān),這意味著與其說是濕度不如說是溫度的高低具有更大的影響。統(tǒng)計結(jié)果表明,在其它條件相同時,平均氣溫高地地區(qū),大氣腐蝕速度較大。氣溫劇烈變化也影響大氣腐蝕。例如晝夜之間有溫度變化,當(dāng)夜間溫度下降,由于金屬表面溫度低于大氣溫度,使大氣中水蒸汽結(jié)露凝結(jié)在金屬表面上,這樣就加速了腐蝕。
 

　　降雨量
 

　　降雨量對室外大氣腐蝕有很大影響,通常在下雨前后空氣濕度上升,雨水沾濕金屬表面,沖刷破壞腐蝕產(chǎn)物保護層,促進腐蝕。據(jù)估計鋼在室外地大氣腐蝕量有一半是由于雨雪的腐蝕作用造成的。可是雨水也有另一方面的作用,它能把原來附著在金屬表面上的灰塵、鹽粒或銹層中易溶于水的腐蝕性物質(zhì)沖洗掉,這樣在某種程度上減緩了腐蝕。在大氣腐蝕試驗時以30°傾斜角放置的金屬試樣,其向上的—面由于受到雨水直接淋洗,它的腐蝕量常比向下的一面要輕微—些。
 

　　大氣成分
 

　　在大氣中除基本組成外,由于地理環(huán)境不同,常含有其它雜質(zhì),如在工業(yè)區(qū)常混入如硫化物、氮化物、碳化物等,稱為大氣污染物質(zhì)。其中有工廠廢氣排出的硫化物、氮化物、C0、C0₂等,也有來自自然界如海水的氯化鈉以及其它固體顆粒,對金屬大氣腐蝕影響較大。
 

　　硫氧化物的影響:在硫氧化物中,S0₂是最常見也是影響最嚴重的污染物。石油、煤燃燒的廢氣中都含有大量的S0₂,由于冬季燃燒消耗比夏季多,S0₂的污染也更為明顯,所以對腐蝕的影響也極嚴重。
 

　　海鹽顆粒(NaCl)的影響:在海洋附近大氣中,含有氯化鈉的海水水滴在海浪水沫飛散時混入大氣,所以大氣中含有較多的C1^-或NaCl顆粒。若NaCl顆粒落在金屬表面上,它有吸濕作用,增大了表面液膜層的電導(dǎo),氯離子本身又有很強的侵蝕性,因而使腐蝕變得嚴重。研究表明離海岸線距離越遠,空氣中海鹽粒子減少,材料腐蝕速度也小。
 

　　固體塵粒的影響:大氣中通常稱為灰塵的固體微粒雜質(zhì)也能加速腐蝕,它的組成十分復(fù)雜,除海鹽粒外還包括碳和碳化物、硅酸鹽、氮化物、銨鹽等固體顆粒。在城市大氣中的平均含量約為0.2～2mg/m³,而在強烈污染的工業(yè)大氣中,甚至可達1000mg/ m³以上。
 

　　異常氣候條件的影響:近年來酸性雨出現(xiàn)已成為自然環(huán)境保護中的一個重要問題。從大氣腐蝕的角度來看,這也是不能忽視的問題。酸性雨是指pH值低達4.3～5.3范圍的雨水,其起因主要是由于含有大量來自于汽車廢氣及燃料燃燒所生成的NO_x、SO_x等污染物質(zhì)所致。在酸性雨的條件下,Zn、Cu、Pb等金屬的耐蝕性大為降低。
 

材料因素
 

　　碳鋼和低合金鋼是應(yīng)用最為廣泛的材料。為了提高它在大氣中的耐蝕性,通過合金化在普通碳鋼的基礎(chǔ)上加入Cr、Cu、P等合金元素,可以改變銹層的結(jié)構(gòu),生成一層具有保護性的銹層,改善了鋼的耐大氣腐蝕性能。
 

　　不銹鋼在大氣環(huán)境中通常是很耐蝕的。但含Cr量較低的Cr13型不銹鋼在戶外的大氣環(huán)境中仍會發(fā)生銹蝕,且腐蝕形態(tài)常為點蝕。對18— 8型不銹鋼或含Cr、Ni量更高的不銹鋼,其腐蝕速度在0.1μm/a以下。
 

　　鋁、銅及其合金在大氣環(huán)境中通常具有較好的耐蝕性。在我國不同類型大氣環(huán)境中10年的暴露試驗結(jié)果表明,鋁合金的平均腐蝕速度為:城市和鄉(xiāng)村<0.5μm/a,海洋0.16～0.90μm/a,酸雨地區(qū)>0.75μm/a。銅合金在污染少的一般大氣環(huán)境中,腐蝕速度約為1.0μm/a。在污染大氣環(huán)境中,受酸雨及S0₂的影響,銅合金腐蝕速度約2～3μm/a。
 

　　從上面可以看到,各種因素的作用是錯綜復(fù)雜的,因而金屬材料在各個具體大氣環(huán)境條件下的腐蝕行為需要通過長期和的現(xiàn)場試驗來確定。