FROSIO 腐蚀

FROSIO 腐蚀 pH VALUE 腐蚀 引言 腐蚀是由于材料与所在环境的相互作用而发生的自然变质或损坏。腐蚀主要发生在金属中，该术语用于描述金属与氧气之间的反应。大多数人将腐蚀一词和生锈联系在了一起，但所有的材料都会发生表面变质。尽管其中存在物理和机械因素的作用，但通常都是化学或电化学过程。 由于更换腐蚀构件和保护现有构件而给社会造成的腐蚀成本预计每年约占一个县的 虽然该百分比很可能偏高，但如果是正确的话，这就意味着对挪威来说年GNP的2-4%， 成本将达到约30亿美元。在美国，据计算1985年的腐蚀成本超过100亿美元。从这些可能的正确数字来看，每年腐蚀对社会造成的成本显然是巨大的。这些成本中有很大一部分是可以大幅度降低的，但由于大部分所发现的损坏都是由于人们对腐蚀以及有利于发生腐蚀的条件缺乏足够的认识。人们往往没能对材料进行正确的选择，而对同种材料的保护也往往不够充分。 金属的腐蚀通常仅局限于表面。有些情况下，如铝材，表面会形成一个氧化层，成为阻止其进一步接触氧气的阻挡层，从而抑制了腐蚀的发生。干燥空气中铁的氧化层薄得都无法用肉眼看见，它为铁提供了保护。但在潮湿的情况下，就会形成氧化铁的氢氧化物，铁就会变得多孔，可以吸收氧气，使腐蚀得以进行。 人们数十年来一直在努力通过向纯金属中添加其他物质来抑制或者阻止金属的腐蚀，取得了不同程度的成功。向铁中所添加的微量物质可能加快腐蚀的速度，但一些其他物质则可能抑制腐蚀。在黄铜中添加铝可以使它更耐腐蚀。采用不容易发生腐蚀的材料解决腐蚀问题的缺点在于与原来的金属相比，其物理性能往往会有所缺失，或者由于合金的成本而导致成本增加。 最常用的防腐方式就是给需要保护的金属外加一个有耐受能力的表面涂层(或者敷层)。此类涂层所使用的材料各不相同，但最常用的是油漆、塑料、橡胶、陶瓷以及通过各种方式(如电镀、热浸镀锌、喷涂等)施用在表面上的其他金属，如铝、锌、铬或镍等。 在使用防护性涂层系统保护金属结构免遭腐蚀时，所有的相关人员，从构件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 师、油漆工人一直到涂料检查员都至少必须对腐蚀及其影响因素有基本的了解。这些化学知识是不可或缺的。 化学反应 对化学反应的研究构成了所有化学的基础，不论是有机还是无机的。所有的化学反应都涉及到分子内或者分子之间化学键的形成和断裂，从而形成了不同的物质。化学被人们 腐蚀 10/01 1 pH VALUE 定义为物质的科学——研究物质的组成、结构和属性，以及存在于其自身或自身与其他物质的产生新物质或者变样物质的反应。 当氢气和氧气结合形成我们称为水的化合物时，一个简单的化学反应就发生了。 从分子的层面上来看，这是由于两个氢原子和一个氧原子形成一个化学键，产生 HO)。 2了水( 我们常常把化学反应与物理变化混为一谈，这应加以避免。状态的改变是物理变化，这经常与化学变化混淆。 和大多数物质一样，水由于受外部影响的诱导，如压力、气温等，可以以各种状 态存在。当加热到沸点以上时，水就转化为蒸汽，而当冷却到凝固点以下时，就 HO。 2会结成冰。各种状态的水形态各异，物理属性也各不相同，但它还是 化学反应与能量有关，在化学反应中，不是需要能量来开始或者维持化学反应，就是反应将释放能量。化学反应所释放的能量被称为放热，而反应所需要的能量被称为吸热。化学反应中所涉及的能量形式可能包括热量、压力、辐射、电能等，但是当我们具体讨论涂料的化学反应时，我们主要探讨的就是热能。 氢氧之间形成水的反应会释放出一定量的热能。因此该反应为放热反应。水分子 一旦形成，仅仅通过水的冷却(放出热量)我们是无法打开原子之间的化学键的。 只有将与原反应所释放的相同的能量(例如以电能的形式)归还给水，断开将氢 氧原子结合在一起的化学键，这个键才能打开。后一种反应属于吸热反应。 化学反应是通过在反应过程中物质化学属性的变化来加以鉴别的。这种属性的变化可能非常复杂，一般还很持久。 食盐(NaCl)溶化时，在溶液中通入直流电就能分解成元素。在负极上，我们将 Na)，而在正极上我们将得到释放出来的黄绿色有毒氯得到银色的熔化金属钠( Cl )。气( 从上述例子我们可以看出食盐的融化仅仅发生了物理变化，而只有当我们将电流通过溶液时才得到了化学属性的改变。这种变化实际上是非常复杂的，因为两种元素之间化学键的打开使食盐从一种无害的物质变成了两种基本元素，其中一种还具有很强的毒性。 何为腐蚀, 对于大多数人来说，腐蚀只不过就是棕红色的铁锈而已，是钢铁受到腐蚀时所形成的副产物。尽管这种铁锈是最常见的腐蚀副产物，但我们还发现了铜发生腐蚀时形成的绿的锈蚀(铜锈)(尽管这种锈斑大部分情况下被看作所谓的“铜绿”)和锌发生腐蚀时形成的白色“锈蚀”。 腐蚀 10/01 2 pH VALUE 为什么我们在构件中所使用的材料会以这种形式发生损坏呢,回到金属上来，我们知道大部分金属都是通过向矿石中加入大量的能量而形成的。在它的自然状态下，矿石与其他各种元素，如碳或硫等，联结在一起。金属的自然状态是最稳定的，而且不容易发生腐蚀。 而在金属(如钢或铝)的生产过程中，我们改变了矿石的自然状态，使其接触大量的能量，不论是在高炉、电炉还是在电解过程中。这部分能量的加入使矿石被分解成为了形成熔融状态的纯金属单独元素以及其他不需要的残留产物，通常被我们称为炉渣。金属从炉渣中被分离出来，冷却到固态。在这一固态情况下，金属非常容易发生腐蚀，且其残留能量处于高水平。 如轧制或挤压等，可能向金属施加额外的能量。钢板的轧制要让红热的钢材制作工艺， 接触氧气，在钢材表面形成一个氧化层。这层氧化铁被称为氧化皮。当氧化皮保持完好时，就能保护钢材，但氧化皮是非常易脆的，暴露在室外就会迅速开裂和分解，从而使 腐蚀的副产物铁锈在组分上与铁矿石是非常相似的，因此比钢铁更加稳钢材遭受腐蚀。 定。铁锈的能量水平要比后者更低，非常接近于铁矿石自然存在状态下的能量水平。 腐蚀理论 金属的腐蚀是需要电导液或导电物质的一个电化学过程，也就是我们所说的电解液和氧气。水常常被作为电解液(海水是非常好的电解液)，甚至冷凝水或者是雨水通过吸收大气中或者基材表面上污染物中的颗粒，也可以导电。 电解液就是具有导电性的液体。 接触导体如其他金属或者电解液时，金属很容易释放出被称为电子的带电颗粒。物质释放出一个或一个以上电子，就会因为原子核中正电子的存在而带正电。吸收电子的物质会由于电子的负电荷而带负电。带正电或者负电的物质被称为离子。在一些金属中，这种趋势很弱，如铂或金等。电子释放量很少的此类金属被命名为贵金属。其他带有离子释放趋势强烈的金属，比如铝或锌等，都被命名为贱金属。 如果将两种金属浸没在电解液，但不直接接触，那么这两种金属就会以一定的速率发生腐蚀。但如果两种金属有直接接触，那么其中的贱金属腐蚀速度就会明显加快，而贵金属的腐蚀速度就会减慢或者被抑制。腐蚀速度取决于若干因素，例如所涉及金属的种类、与电解液的接触时间、电解液的成分、基材表面上的污染物等。 试想将钢直接接在铜上，并浸泡在一种电解液中。当一个铁原子被释放到表面上时，它 ++会释放出两个电子，并成为铁离子(Fe)。释放电子的一侧被称为阳极。阳极通过腐蚀被消耗。电子(带负电)通过钢传输给铜，而铜就成为了阴极。阴极形成氢氧根离子。这些离子将与铁离子发生反应，然后与空气或者电解液中的氧气发生反应，形成铁锈，或者含水氧化铁(FeO; FeO+ HO)。 2334 2 腐蚀 10/01 3 pH VALUE 我们在电池中就利用了这种现象。传统电池就是将碳棒或者石墨棒浸在电导性物质(电解液)中。极棒和电解液都包裹在锌壳中。极棒和锌壳都与电线(极)相连接。如果将合适的小灯泡接在两极上，灯泡就将被点亮。电池释放出电流。一段时间后，随着锌壳(阳极)被溶解耗尽(即，腐蚀)，这种电流的释放就将终止。 贱金属会被溶解，并在阳极释放出电能。这部分能量将被阴极所吸收。 对于腐蚀的发生来说，并不一定要像上面的例子那样，将两种不同的金属连接在一起。钢实际上是一种合金，当它暴露在户外环境中时就会发生腐蚀。这是因为在显微镜下看来，钢的成分并不均匀。所有的钢材上都存在包含贵和贱金属颗粒的微小区域。如果不对钢材进行涂装，并使其接触电解液，那么氧化皮、石墨或者其他贵物质的颗粒就会形 ”，发生腐蚀。腐成很小的阴极，而钢本身将成为阳极。这些区域就形成了微小的“电池 蚀将溶解阳极(钢材本身)，并保留阴极完好无缺。然而，必须指出的是，阴极周围的电解液性质会发生改变，成为碱性(pH值增大)。 反应过程如下所示: 铁 +氧气 +水 + 能量, , 铁离子 + 氢氧根离子 = 氧化铁 + HO 2 除了在阴极形成氢氧根离子外，还可能发生其他反应。在酸性溶液或者酸中，会生成氢气。贵金属还可能通过溶液分解出来，沉积在阴极的金属上。 电流序列(金属活动序列) 金属的耐腐蚀性就是指金属在环境中抵抗腐蚀的能力。金属或合金的耐久性取决于金属本身以及对其所施加的影响。 所有的金属或者合金都包含一定数量的残留能量。这部分残留能量是可以进行测定的(以伏特计)。这种测定值被称为电势或者电压。两种金属之间的电势差可以用伏特表来测定，但如果我们想测定单独或者一起测定某种金属的电势的话，我们就需要使用参考电极了。参考电极的作用就像零刻度一样。这里的参考电极是指 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 氢电极(SHE)。 o它在所定义的电解液中0C时的电势为0伏。 为了测定海水中的电势，应使用下列参考电极。 电极 电解液 电势 银/氯化银 海水 约为+ 0.25 V Ag/AgCl 铜/硫酸铜 海水 约为+ 0.30 V Cu/CuSO 4 腐蚀 10/01 4 pH VALUE 两种参考电极的电势都高于氢电极。 金属和金属合金可以根据其抗腐蚀能力进行排列，就是我们所谓的电流序列(金属活动 金属活动序列表是通过测定金属或者合金在定义环境中的电压或者电势序列)表。这种 而建立的。 金属浸没在海水中的活动序列是最常见的，而且从中我们可以迅速确定当连接在另一种金属上时，哪种金属会发生腐蚀。电势低于另一种金属的金属被认为不如另一种贵。当两种金属连接在一起时，最好要尽量减少腐蚀的发生。如果无法隔绝金属直接的电学接触的话，则应该尽可能减小两种金属的电势差。如上所述，腐蚀过程的推动力就是金属之间的电势差。电势差越大，贱金属的腐蚀就会越严重。由于两种金属之间的电势差或者合金本身内部的电势差造成的腐蚀，被称为电流/双金属腐蚀。 金属的腐蚀很大程度上取决于金属所接触的介质。铝合金和不锈钢在城市里或者工业大气环境中不会发生严重腐蚀。然而，同种金属接触海水时则会发生严重腐蚀。 有些金属或合金的电势可能不是固定的。这是因为这些金属被一层很薄的保护氧化层所覆盖。只要氧化层保持完好，它就能实现我们所说的金属的钝化。如果氧化膜遭到破坏或者被去除，金属的电势就会发生变化，金属就会进入我们所说的活性状态。由于氧化膜的去除而降低其耐腐蚀性能。 含有这种钝化膜的合金包括不锈钢和耐酸钢、镍铝合金等。水和氧气的充足供应将重新形成氧化膜，但如果金属表面受到污染或者是脏的，那么氧气的供应可能受到影响，并发生腐蚀。 如果在外部条件影响下，两种相似金属的电势发生了改变，那么就可能发生电流/双金属腐蚀。供氧的变化就是此类外部影响中的一个例子。 腐蚀 10/01 5 pH VALUE 下表说明了某些针对商业用途的金属材料在海水中的电流序列，列表最顶端为电势最高 的材料。电势高说明防腐蚀能力强。 贵金属(阴极) 铂 金 石墨 钛 银 耐热镍基合金(62 Ni, 18 Cr, 18 Mo) 镍基合金C (62 Ni, 17 Cr, 15 Mo) 18-8-3 不锈钢(钝化) 18-8 不锈钢(钝化) Inconel合金 (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe) 镍(钝化) 银焊料 蒙乃尔铜-镍合金 (70 Ni, 30 Cu) 铜镍合金 (60-90 Cu, 40-10 Ni) 青铜合金(Cu-Sn) 铜 黄铜合金 (Cu-Zn) 耐热镍基合金 (66 Ni, 32 Mo, 1 Fe) 镍基合金(60 Ni, 30 Mo, 6 Fe, 1 Mn) Inconel合金(活性) 镍(活性) 锡 铅 铅-锡焊料 18-8-3 不锈钢(活性) 18-8 不锈钢(活性) 耐镍铸铁 铬基不锈钢11-30 Cr(活性) 铸铁 钢或铁 2024铝 (4.5 Cu, 1,5 Mg, 0.6 Mn) 镉 纯铝 锌 镁及镁合金 贱金属(阳极) 腐蚀 10/01 6 pH VALUE 表格中分为一组的合金可以同时使用，对两种金属都不存在发生严重电流腐蚀的危险。 腐蚀性环境与pH值的影响 在干燥的内部空间里，发生腐蚀的危险是很小的。但一旦暴露在室外，受到环境的影响作用，如日晒、雨水污染和气生污染等都会使情况发生改变，通常这些影响会提高大部分金属的腐蚀速率。 气生污染尤其会产生不利影响。相当多从工业排放到大气中的气体，不是酸性或碱性物质，就是将转化成为酸性或碱性物质。这些物质——通常为水溶液——会对金属以及其他构件材料造成腐蚀。 当我们需要说明溶液的酸碱性时，我们会测定溶液的pH值。通常这一数值的测定范围为0-14，如下图所示。 pH值范围: , 中性 , 碱性 酸性 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 纯水的pH值为7，说明溶液处于中性。pH值低于7为酸性溶液，而pH值高于7为碱性溶液。酸碱度是按照对数构建的，也就是说，从中性开始，前进或者后退一个单位，溶液的浓度就将增加10倍。pH值为4的溶液浓度将是pH值为7的溶液浓度的10 x 10 x 10 = 1000倍。 一般来说金属的腐蚀在酸性或者碱性溶液中会有所加剧。铝和锌在碱液中的腐蚀速率会加快，而钢接触碱液时，则会在钢材表面上形成一层氧化铁薄膜，而发生钝化。这种钝化膜能为耐腐蚀提供良好的保护。大部分金属在酸液中都将被迅速耗尽。 据有关发现，当钢筋嵌在混凝土中时，钢材在碱性环境中会发生钝化。只要混凝土保持碱 性，钢筋就不会发生严重腐蚀。 由于气生污染物被溶解在雨水或者冷凝液水中，常常会形成酸，导致对基材表面的腐蚀。暴雨将冲刷掉此类污染物，但小雨和冷凝液却无法做到这一点。灰尘和盐等污染物能够吸收水分(这些污染物是吸湿性的)，从而延长潮湿时间。这也正是位于降水极少但总体湿度很高的区域内的构件可能发生严重腐蚀的原因所在。 版权所有 ? pH VALUE10/2001 腐蚀 10/01 7