金屬材料因其優(yōu)異的性能得到廣泛的應(yīng)用，而隨之帶來的腐蝕問題也引起人們的普遍關(guān)注。金屬腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，并且由金屬腐蝕引發(fā)的各種事故也對(duì)人身和公共安全造成了巨大威脅，如圖1所示。金屬腐蝕是一個(gè)全球普遍存在的問題，全球每年因?yàn)殇撹F腐蝕而報(bào)廢的設(shè)備占當(dāng)年世界鋼鐵總產(chǎn)量的30%。世界各國(guó)因金屬腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超過其它各種自然災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)損失的總和，據(jù)世界腐蝕組織估計(jì)，全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.2萬億美元，超過世界國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3%，并呈逐年上升趨勢(shì)。中國(guó)工程院調(diào)查結(jié)果表明，2008年我國(guó)因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1.2～2萬億元人民幣。可見，金屬腐蝕與防護(hù)的研究不僅是一個(gè)重大的科學(xué)問題，而且具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。本文主要介紹了金屬腐蝕的種類，并結(jié)合實(shí)例介紹了幾種常見的金屬腐蝕防護(hù)方法。

圖1  金屬的腐蝕

    金屬腐蝕的分類

    金屬腐蝕是指金屬和環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生物理溶解、化學(xué)（電化學(xué)）反應(yīng)，導(dǎo)致金屬的一部分或整體受到破壞或變質(zhì)的現(xiàn)象。從熱力學(xué)角度上，金屬發(fā)生腐蝕是一個(gè)自發(fā)的過程，因此腐蝕現(xiàn)象是非常普遍的。按照金屬腐蝕機(jī)理，腐蝕可分為三類：金屬高溫氣體腐蝕、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

    1 金屬高溫氣體腐蝕

    一般認(rèn)為，在高溫下金屬容易與高溫氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化膜。隨著膜厚的增加，微裂紋、宏觀裂紋和孔洞等缺陷就會(huì)隨之產(chǎn)生，從而使得氧化膜失去保護(hù)性能。例如，金屬在冶煉及軋制過程中的氧化剝落現(xiàn)象，焦?fàn)t工藝中高溫爐管與核工業(yè)設(shè)備的高溫氧化等，都屬于金屬高溫氣體腐蝕。

    2 化學(xué)腐蝕

    化學(xué)腐蝕是指金屬與非電解質(zhì)接觸時(shí)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生腐蝕。其中，非電解質(zhì)包括不導(dǎo)電不電離的干燥氣體以及不含水不電離的非電解質(zhì)溶液。化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是金屬表面的原子與非電解質(zhì)中的氧化劑直接交換電子發(fā)生氧還原反應(yīng)，因此腐蝕過程并沒有電流產(chǎn)生。通常，生成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)阻礙化學(xué)腐蝕的繼續(xù)發(fā)生。這類腐蝕一般比較輕微，因此人們很少研究。

    3 電化學(xué)腐蝕

    電化學(xué)腐蝕是指金屬與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕，實(shí)質(zhì)是在與電解質(zhì)溶液接觸的金屬表面上形成了腐蝕原電池。電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是金屬表面的原子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；腐蝕介質(zhì)中的去極化劑得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)；腐蝕過程伴有電流產(chǎn)生，以鋼鐵的腐蝕為例（如圖2所示）。電化學(xué)腐蝕的影響腐蝕的因素有很多，包括電解質(zhì)溶液（濃度差、溫度差、氧濃度差）、環(huán)境因素（溫度、壓力、流速等）、金屬的特性及其內(nèi)部應(yīng)力的差異、金屬表面狀態(tài)和腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì)等。例如，金屬在海水中的腐蝕，在潮濕空氣中的腐蝕，在地下土壤中的腐蝕以及在酸、堿、鹽溶液中的腐蝕均屬于電化學(xué)腐蝕。相比化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕更廣泛、更普遍。

圖2  鋼鐵的吸氧腐蝕示意圖

    金屬腐蝕防護(hù)方法

    研究金屬腐蝕原理和規(guī)律的主要目的就是阻止或抑制腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕原理可知，控制腐蝕的主要途經(jīng)是避免陰極與陽極形成電流回路。常用的腐蝕防護(hù)方法主要有改變金屬本質(zhì)、緩蝕劑法、電化學(xué)保護(hù)法以及涂層法。其中，涂層法是應(yīng)用最廣泛的一種防護(hù)方法，也是人們研究最多的。

    1 改變金屬本質(zhì)

    根據(jù)不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金，或在金屬中添加合金元素，提高其耐蝕性，達(dá)到阻止或減緩金屬腐蝕的目的。比如，2017年5月5日成功首飛的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919大型客機(jī)，大范圍地采用了輕質(zhì)耐蝕性能優(yōu)異的鋁鋰合金新型材料。

圖3  國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919大型客機(jī)

    2 緩蝕劑法

    緩蝕劑是一種常用的防腐蝕手段。在腐蝕介質(zhì)中添加少量緩蝕劑就能夠明顯降低腐蝕速率，從而起到阻止或減緩金屬腐蝕的效果。緩蝕劑的作用機(jī)理是改變?nèi)菀装l(fā)生腐蝕的金屬表面狀態(tài)或者起到負(fù)催化劑的作用，使得陰極（或陽極）反應(yīng)的活化能壘增加。緩蝕劑具有使用方便、工藝簡(jiǎn)單以及經(jīng)濟(jì)有效等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛用于化學(xué)清洗、工序間防銹、金屬制品儲(chǔ)運(yùn)、冷卻水處理和石油開采等工程中。

    3 電化學(xué)保護(hù)法

    電化學(xué)保護(hù)是金屬腐蝕防護(hù)的重要方法之一，腐蝕防護(hù)的原理是依靠外部電流改變金屬電位，從而減緩或抑制金屬腐蝕的一種保護(hù)技術(shù)。電化學(xué)保護(hù)可分為陽極保護(hù)法和陰極保護(hù)法。

圖4  犧牲陽極法

    陰極保護(hù)法是最常用的電化學(xué)保護(hù)方法，作用機(jī)理是金屬作為陰極，通過陰極極化使電位變負(fù)從而達(dá)到阻止金屬腐蝕的目的。陰極保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法有犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極保護(hù)法是把比被保護(hù)金屬電極電位更負(fù)的材料做陽極，與被保護(hù)金屬（作陰極）形成腐蝕電池，使得被保護(hù)金屬發(fā)生極化而得到保護(hù)，如圖4所示。外加電流法是利用外加直流電源，使被保護(hù)的金屬作為陰極，與輔助陽極構(gòu)成電流回路，被保護(hù)金屬發(fā)生極化達(dá)到防腐的目的。陰極保護(hù)法適用于能導(dǎo)電、易發(fā)生陰極極化且結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的體系，被廣泛用于石油管道、大型設(shè)備（貯油罐）、船舶和港灣碼頭設(shè)施等金屬設(shè)備及構(gòu)件的防護(hù)，比如珠海港高欄港區(qū)神華煤炭?jī)?chǔ)運(yùn)一期工程鋼管樁防腐蝕采用了電化學(xué)保護(hù)法——犧牲陽極法。

圖5  珠海港高欄港區(qū)

    陽極保護(hù)是利用外加直流電源，將被保護(hù)金屬作為陽極，與輔助陰極構(gòu)成電流回路，使被保護(hù)金屬發(fā)生極化處于鈍化狀態(tài)而得到保護(hù)。該法只適用于具有活化-鈍化轉(zhuǎn)變的金屬，并且腐蝕介質(zhì)須為氧化性介質(zhì)。而在含有吸附性鹵離子的介質(zhì)中，該法是一種危險(xiǎn)的防護(hù)手段，容易引起點(diǎn)蝕。陽極保護(hù)的應(yīng)用是有限的，目前主要用于有機(jī)磺酸中和罐、各類酸液存貯槽及貯罐等設(shè)備的保護(hù)。

    4 涂層法

    涂層法是應(yīng)用最為廣泛、經(jīng)濟(jì)、有效的一種防腐蝕手段。涂層法是通過在金屬表面涂覆保護(hù)層，將被保護(hù)金屬與腐蝕介質(zhì)隔開，從而達(dá)到防腐蝕的目的。涂層分為兩大類：金屬涂層和非金屬涂層。金屬涂層是將一種金屬鍍?cè)诒槐Ｗo(hù)金屬制品表面形成保護(hù)鍍層，通過電鍍、化學(xué)鍍、真空鍍、熱浸鍍和熱噴鍍等方法實(shí)現(xiàn)。例如，熱鍍鋁主要用于鋼鐵零件的抗高溫氧化。非金屬涂層包括襯里和涂料，襯里主要有玻璃鋼、橡膠、磚板襯里等物質(zhì)，防腐蝕涂料主要有環(huán)氧涂料、玻璃鱗片涂料、富鋅涂料、丙烯酸涂料、聚氨酯涂料等。

圖6  上海鐵路南站

    上海鐵路南站大型鋼結(jié)構(gòu)工程的防腐蝕技術(shù)便是采用這種方法，涂裝設(shè)計(jì)方案為鋼結(jié)構(gòu)表面噴射處理/水性硅酸鋰富鋅底涂料一道/環(huán)氧封閉涂料一道/環(huán)氧云鐵中間涂料一道/可覆涂性聚氨酯丙烯酸面涂料兩道。2008年5月1日通車的橫跨中國(guó)杭州灣海域的跨海大橋，采用的防腐蝕方案便是涂層法。根據(jù)部位（如鋼箱梁、鋼錨箱、風(fēng)嘴、橋面等）不同采取相應(yīng)的防腐蝕涂裝配套方案，使用的涂料包括無機(jī)富鋅底漆、環(huán)氧樹脂漆、氟碳樹脂面漆、氯化橡膠漆、聚氨酯面漆等。

圖7  杭州灣跨海大橋

    當(dāng)然，實(shí)際防護(hù)工作往往需要幾種方法結(jié)合使用以期達(dá)到更好的防腐蝕效果。比如在涂層中加入一定量緩蝕劑、顏料等用以減緩腐蝕，涂層與電化學(xué)保護(hù)聯(lián)合使用以應(yīng)對(duì)復(fù)雜腐蝕環(huán)境。始建于1958年的我國(guó)第一條油氣長(zhǎng)輸管道——克拉瑪依至獨(dú)山子輸油管道，采用石油瀝青防腐蝕涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)措施，20年來運(yùn)行良好，沒有發(fā)生泄漏事故。

    結(jié)語

    腐蝕防護(hù)是一個(gè)世界性的難題，腐蝕的發(fā)生有其必然性。金屬腐蝕主要有高溫氣體腐蝕、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，通常采用的防護(hù)措施有改變金屬本質(zhì)、緩蝕劑法、電化學(xué)保護(hù)法以及涂層法等。實(shí)際使用時(shí)往往將上述幾種腐蝕方法結(jié)合使用，從而達(dá)到最佳防腐蝕效果。因此針對(duì)產(chǎn)生腐蝕的原因做出全面具體分析，設(shè)計(jì)全面有效的防腐蝕方案，從而有效地延緩金屬腐蝕。