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浮光掠影话金属(Ⅴ) ——腐蚀与反腐蚀

2013-01-28 字号:[ ] 编辑:56hx 来源:未知 浏览:
 常见的金属腐蚀是生锈。我们常骑的自行车,绝大部分构件是金属制成的。在出厂前,车架必须上漆,钢圈车把等多处镀铬,辐条、螺丝等处要镀锌,链条要上油等等。虽然采取了这么多措施,在自行车的使用过程中还需经常擦拭上油,否则仍会锈迹斑斑,以至破损。
    自行车只是日常生活用品,在整个国民经济中,各类金属材料使用极为普遍。金属腐蚀的机理和防腐方法的研究,是一个极为重要的课题。一般估计,全世界每年因腐蚀而报废的金属制品的重量,大约相当于金属年产量的1/4~1/3,其中相当部分因锈蚀成渣而不能回收。英国“腐蚀和防护委员会”估计,英国每年因腐蚀而损失的金属价值,占国民生产总值的3.5%。
    实际上,腐蚀所造成的损失比上面所说的要大得多,因为腐蚀的危害不能单算金属本身的价值,更重要的是金属结构遭到破坏,含有金属的构件比起金属本身来说价值要高得多。如制造汽车、飞机及精密仪器,其费用是金属价格的若干倍。此外,由于金属设备受腐蚀而引起的停产检修,产品性能质量下降,造成事故,渗漏(如地下管道输送的水、气、油等)而造成浪费,甚至引发火灾或爆炸等事故,其损失就更加惊人。如1970年12月,四川一口天然气井,因井口套管焊接处严重腐蚀而破裂,地下的高压天然气喷射而出,通天大火整整燃烧了44个昼夜。
    严重的金属腐蚀,使科学工作者不得不积极思考对策。首先要弄清金属为什么会腐蚀,如何产生腐蚀,即腐蚀的机理,然后对症下药,采取针锋相对的反腐措施。
    人们知道,除几种贵金属外,许多金属暴露在大气中(有水和氧存在)时,都会发生腐蚀,其根本原因是,这些金属最稳定的状态就是它原来在自然界中所处的状况,所以一旦条件适合,它们便回复到原先的矿物状态,生成氧化物、硫化物、碳酸盐……或者生成溶于水的离子,这就是金属的腐蚀现象。因此,防腐措施之一就是尽量不给金属这些合适的条件(直接与水和氧接触)。
    此外,我们还应研究金属腐蚀的具体途径。一般认为金属腐蚀的方式可分为两大类,即化学腐蚀和电化学腐蚀。前者是金属与氧化剂直接反应造成的,如铁在高温下直接与氧发生氧化还原反应,生成红色铁锈(氧化铁),化工厂的管道输送氯气等具有氧化性的气体时,也能被夺走电子形成氯化物,如:这种反应仅仅是一种单纯的氧化还原反应,称之为化学腐蚀。高温会加速这种腐蚀。如气轮机叶片、内燃机气门、喷气发动机等设备,都要在高温条件下与气体介质接触,很容易产生高温氧化或气体腐蚀。另外,像铝和乙醇、氯仿等非水溶液接触,也能发生腐蚀,这些介质是非导体的腐蚀,都称为化学腐蚀。
    另一类腐蚀,其介质是导体,属于电化学腐蚀。这类腐蚀发生时,往往形成一个微型原电池,腐蚀过程是一个电化学反应。金属的腐蚀绝大部分由电化学腐蚀造成。例如,铁在干燥的空气中不易生锈,而空气湿度很大时则锈蚀得很快,可见水是生锈的条件之一。暴露在大气或土壤中的金属表面上往往有着溶解了等的水膜,如铁与水膜组成的体系中,可以发生两类电极反应,铁是活泼金属作负极,失去电子变成铁离子:铁中的碳作正极,水中氢离子在它的表面得电子,变成氢气放出:或者是水中溶解的氧气参加反应:铁离子可进一步与空气中的氧或其它物质结合生成铁锈。海绵状的铁锈又特别容易吸收水分和空气,铁就腐蚀得更快了。所以也可以说,电化学腐蚀就是发生在电解质溶液中的腐蚀。
    酸雨对钢铁建筑物的破坏,就是通过上述电化学腐蚀过程发生的。由于常下酸雨,重庆的嘉陵江大桥的锈蚀速度,比一般地区的铁桥快5~6倍。
    如何防止金属锈蚀呢?最容易想到的办法就是把金属与腐蚀介质隔离开来,也就是给金属加上保护层。保护层可分为两大类:一类为非金属材料,如油漆、搪瓷、喷涂塑料等高分子材料;另一类是金属保护层,即在金属表面镀(电镀或化学镀)上一层别的金属进行保护,如镀铬。
    大量使用金属保护层的典型是马口铁和白铁皮。马口铁是铁上镀锡,而白铁表面冰花一般的花纹是镀锌。就保护层把被保护的金属与腐蚀介质隔开这一点来说,两种保护层的作用没有原则差别,但当保护层受到破坏而变得不完整时,情况就完全相反了。对于马口铁,含有电解质的水膜覆盖在缺口上时,由于铁比锡活泼,铁成为微电池的阳极,锡成为阴极,铁很快锈蚀,比不镀锡的铁皮腐蚀速度还要快;而对于白铁,由于锌比铁活泼,形成微电池时,铁是阴极,锌是阳极,被腐蚀的是保护层,金属铁仍然受到保护。
    自行车的辐条、仪表、螺丝及许多五金零件都是镀锌制品。被人误称为“铅丝”的其实就是镀锌的铁丝。锌比铁活泼,但锌在空气中和氧化合,表面形成一层致密的氧化锌薄膜,保护内部不再生锈(和铝很相像)。一旦镀锌层破损,露出局部的铁表面,锌又以牺牲自己的方式来保护铁不被腐蚀,这就是锌广泛用于保护铁的原因。据统计,全世界生产的锌,有40%用于这方面。
    另外,还可以在金属表面履上金属氧化物,如有些金光灿灿的表壳、表链并非真金制品,而是在表面上沉积了色泽和耐磨性都类似黄金的氮化钛。金属表面制膜的方法很多,如化学气相沉积法、激光气相沉积法、离子束溅射法等等,这已成为一门新的学科,被称为薄膜科学。
    除了上述给金属“穿衣”的办法外,还有一种隔绝介质的办法,即表面处理。1965年在湖北出土的两把“越王勾践自作用制”宝剑,虽已埋藏了2000多年,仍光彩夺目,毫无锈蚀。经现代化学分析,发现宝剑经过“硫化处理”。在苏格兰也出土过1800年前的一箱铁钉,一根也未生锈,经研究是经过了“磷化处理”。
    有一类表面处理的方法称为钝化法。如一块普通的铁片,在稀硝酸中很容易溶解,但在浓硝酸中则几乎不溶解。经过浓硝酸处理后的铁片,即使再放入稀硝酸中,其腐蚀速度也较未处理时显著降低,这种现象叫化学钝化。一些强氧化剂,如等都可使金属钝化,对铁制品高温“烤蓝”(常用于枪、炮)其实就是在铁表面生成,它比较致密,不像铁锈(主要是)又松又软,能防止里面的铁继续生锈,这种方法也叫“以锈防锈”。
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