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摘要：在日常結構應用中，因材料腐蝕而造成結構失效的情況很多。從金屬材料腐蝕的機理入手，分析其產生的原因，找出減輕腐蝕影響的措施。從而達到延長零部件壽命的目的。

關鍵詞：金屬材料；腐蝕；機理；措施

0引言

在結構設計中，金屬材料的使用是很廣泛的，如鋼、鋁、銅等等。如果缺乏對腐蝕現象的深入了解，認識不到其危害性，那么往往在預防腐蝕方面缺乏有效的措施。腐蝕的危害具有多方面的特點，不僅對國民經濟造成損失，對材料產生損耗，還對環境造成污染。

1常見腐蝕種類

常見腐蝕可分為不同種類：

1.1全面腐蝕

全面腐蝕可在材料的大部分面積或全部暴露的表面上出現，具有電化學或化學反應等特征。如鋼材在強酸和強堿中的腐蝕，如鹽酸、硫酸等。

1.2縫隙腐蝕

縫隙腐蝕發生的原因是由于沉積物、孔洞、搭接縫以及螺栓縫隙內存在一些靜止液體。浸在腐蝕介質中的金屬，其縫隙腐蝕現象大多發生在寬度大于0.1mm的縫隙處，在該處和周邊地方常常發生腐蝕，這種腐蝕的形式被稱為縫隙腐蝕。

1.3孔蝕

孔蝕具有很大的破壞性，因此具有很大的隱患。孔蝕主要表現在金屬表面的一些小點，很容易造成材料穿孔。常見的孔蝕發生的情形體現在含氯離子的環境中使用鋼材，由于經過很長時間的孕育期后蝕孔的深度以及數目才會顯現出來，同時腐蝕面積不大，從而常常比較難以發現。大多數氯化物和含氯離子的液體等都會造成孔蝕。

1.4晶間腐蝕

晶間腐蝕常出現在晶界或者晶界附近。這種腐蝕通常是比較小的，尤其對于晶粒本身而言。該腐蝕是因在晶界里存在的雜質或某一合金元素變化而引起的，例如鋁中含鐵而在晶界析出的現象，即是由于晶間腐蝕。

1.5應力腐蝕破裂

應力腐蝕是一種脆性破壞，由于受拉應力的材料在某種特定的腐蝕介質作用下而產生。應力腐蝕在目前仍然是一種很難用理論解釋的破壞現象。

1.6磨損腐蝕

如果在含腐蝕性的介質中該腐蝕介質與工件之間存在相對運動，則容易使腐蝕過程出現加速現象。這種腐蝕磨損存在溝洼狀和波紋狀的現象，同時具有一定的方向性。金屬及其表面氧化膜不僅受到腐蝕液體的沖刷作用，同時因沖刷而露出的新鮮金屬表面又容易發生激烈的電化學腐蝕，從而破壞速度很快。常見腐蝕形態如圖1所示。

2腐蝕機理分析

2.1鋁合金腐蝕機理

在能源、建設、交通、工業等不同領域，由于鋁及其合金具有優異的性能，從而具有廣泛的應用，其可在沒有保護的情況下長期使用。表面出現淺坑從而變得粗糙不平是鋁合金在大氣中腐蝕的常見表現。鋁及其合金在大氣中具有一定的耐腐蝕性，這是由于在鋁及其合金表面生成一層氧化膜。這層氧化膜可以在室溫中生成，并且這層氧化膜在大氣中具有自我修復的功能，同時該氧化層比較致密。環境的相對濕度、溫度對鋁的大氣腐蝕有重要影響。除此之外，二氧化硫的濃度、氯離子的含量、雨水酸度等對大氣腐蝕也有影響。電解質、雨水等易于出現在鋁表面小孔內，從而也會使鋁處于一種腐蝕的狀態。在這種情況下，污染層、腐蝕產物和鋁合金及其氧化膜是鋁合金表面在大氣中的主要組成。鋁的氯化物具有可溶性特點，而氯離子的存在又是鋁及其合金在大氣中產生腐蝕的重要原因。由于Cl-進入到腐蝕產物層，氯離子通過逐漸取代氫氧化鋁表面上的OH-生成AlCl3，從而造成腐蝕加劇。

2.2碳鋼的腐蝕機理

使用鋼材作為預埋件在日常應用中是比較常見的，因此，很有必要對碳鋼腐蝕展開研究。在pH大于等于12.6的堿性環境中，鋼材的表面將會產生一層鈍化膜，該鈍化膜是致密的，且其中包含有硅氧鍵，從而起到對鋼材的保護作用。鈍化膜將會由于氯離子吸附于局部而降低該處的pH值，從而使該處被破壞，材料基體由于作為陽極而受到腐蝕，從而產生點蝕，并且會發展的十分迅速。在含氯離子環境中，碳鋼腐蝕速度與時間存在一定關系。通過對低碳鋼在3%濃度的NaCl溶液中腐蝕性展開研究，可建立腐蝕速度與時間的關系。

3防腐蝕措施

3.1鋁陽極氧化技術

由于鋁在空氣中是會發生氧化的，在空氣中其表面可形成一層氧化膜。但其自然形成的一層氧化膜不能起到完全的保護作用，從而不足以真正全面地保護材料基體。對鋁及其合金進行陽極氧化能提高鋁及其合金的耐腐蝕性，同時保持其耐磨性。普通陽極氧化和硬質陽極氧化是鋁常用的陽極氧化方法。此外，按電源不同可分為直流法、交流法、交直流疊法、脈沖電源法等。阻擋層和多孔層是鋁及其合金氧化膜的主要組成部分。阻擋型氧化膜具有絕緣性好的特點，要通過陽極氧化得到該種類型氧化層，需要在接近中性的電解液中進行陽極氧化。多孔層氧化膜具有排列緊密的特點，其膜孔近似于圓形，為含星形孔的六角柱形的小單元。多孔型氧化膜結構特別，每個膜胞中心都有個納米級的微孔，從而使多孔型氧化膜具有良好的耐蝕性和耐磨性。多孔型氧化膜不僅具有制備工藝簡單，膜厚可調節等特點，而且對環境條件要求低。鋁及其合金陽極氧化膜的初期生長期，氧化膜厚度均勻一致。在陽極氧化開始時，鋁及其合金表面生成水合氧化鋁，多孔型氧化膜結構的雛形即形成于該時期。鋁及其合金表面的顯微不平是多孔型氧化膜形成的主要原因，電流會由于鋁及其合金表面的顯微不平而造成分布不均。隨著時間的推移，鋁及其合金氧化進一步進行，在氧化膜的外表面開始形成細小的通道。鋁及其合金氧化膜在鋁及其合金表面突出部位的生長，為形成多孔氧化膜結構創造了條件。鋁及其合金的多孔層氧化膜厚度隨著電流密度增大而增大，電流密度超過臨界值時，陽極氧化膜的增厚將會變慢，甚至在某些情況下無法生成。對于鋁及其合金部件的配合部位以及密封面，不僅對氧化膜層硬度和厚度具有較高要求，且對粗糙度還有要求。通過對鋁及其合金陽極氧化零件膜層增長速率的分析，同時對氧化過程中電流密度、表面狀態等的測定，可以找出影響陽極氧化膜層性能的主要原因。

采用不同的工藝參數，鋁及其合金所生成的氧化膜是不同的。陽極氧化膜的性能與結構即由不同的工藝參數決定。因此，研究不同工藝參數對具體材料的陽極氧化膜厚、耐腐蝕性、成膜時間以及耐磨性等的影響很有意義。鋁及其合金陽極氧化膜厚隨著氧化時間增長而加厚。在開始的階段增厚較快，一定時間后變慢，氧化時間決定了氧化膜的厚度和均勻致密性。由于鋁及其合金的氧化過程是一個放熱的過程，同時由于陽極氧化膜的形成是一個生成與溶解相互競爭的過程，熱量隨著時間的增長而增多，從而加快了溶解的速度。因此，應按照所需材料功能的需要，合理控制氧化時間。對鋁及其合金陽極氧化膜的形成起著重要作用的還包括電流密度。電流密度增大會加大鋁及其合金氧化膜的溶解力度，加快電解液溫度的升高，從而減少膜的晶型結構成分，增加非晶態膜成分。電解液對生成的鋁及其合金的氧化膜性能也有影響，主要體現在如下方面：硫酸、鉻酸和草酸溶液等生成的氧化膜和多孔層較厚，阻擋層則相對較薄，原因是由于其具有的二次溶解能力較好。硼酸則生成以阻擋層為主的氧化膜，原因是由于其二次溶解能力較差。研究表明，鉻酸、草酸、硫酸生成的孔徑依次減小，孔隙率則相反。硫酸、鉻酸、草酸和硼酸溶液所生成的氧化膜的致密性和附著力也存在不同。電解液的溫度對鋁及其合金的氧化層性能也有影響。電解液如果溫度達到一定程度，甚至無法形成氧化膜。其原因是由于隨著電解液溫度的升高，氧化膜被電解液溶解的速度也越快，從而使形成的氧化膜厚度降低。降低電解液的溫度，可以使生成的鋁及其合金的氧化膜增厚，從而可以提高耐腐蝕性能。

3.2鋼材表面處理技術

鋼材表面處理通常包括工具打磨、磨料噴射以及拋丸清理等常見方法。對于結構復雜的部件，其長效防腐蝕可采用熱噴涂方法，其包括熱噴涂鋁（鋅）復合涂層等。這種方法對部件尺寸適應性強，對不同形狀的部件都可采用，且具有局部的熱影響，從而不會使工件產生變形。在噴涂之前需對部件進行預處理，使部件表面無污染，同時露出金屬表面，而后使用壓縮空氣將熔化的鋁（鋅）絲送出，以一定的速度噴射到部件表面。對于在室內使用的鋼結構或相對易于維護的室外鋼結構，可在部件表面涂覆防腐蝕涂料。防腐涂層是一個隔離層，其可以將待防腐部件與外界的腐蝕介質隔離開，從而起到對被保護材料的防腐。使用成膜劑獲得致密的防腐涂層，可增大電阻，同時隔斷腐蝕電池通路，從而起到防腐作用。氫氧化鋁和氫氧化鋇等易與酸堿等物質發生化學反應，從而也可以實現放腐。如果將使鋼鐵表面鈍化的特殊物質添加入防腐涂料，也可使金屬基體得到防腐保護。其是通過防腐涂料與水分及氧氣發生反應從而形成防腐離子來實現的。隨著對新產品外觀和表面性能的要求越來越高，采用單一涂層和鍍層已不能滿足使用要求。因此，采用鍍層和涂層相結合的新工藝是一個新途徑。此外，還可采用生成不溶性磷酸鹽的磷化處理的方法，該不溶性磷酸鹽形成一層保護膜。磷化處理技術用猛、鋅等的正磷酸鹽溶液對金屬表面進行處理，是發展很迅速的表面處理技術。這種磷酸鹽保護膜存在于被保護的基材表面，其具有防銹、耐磨等功能。磷化技術處理的溫度從原來將溶液煮沸到現在室溫即可進行處理，時間從以往以小時計到現在以分鐘計，從而大大擴展了其應用范圍。磷化液組成及濃度、磷化工藝、后處理以及基體材料的性質決定了磷化膜的性質。常溫磷化膜呈晶體結構，松枝狀輻射展開，這樣可以造成分布均勻、凹凸不平的形貌，從而可以提高涂層與基體的附著力，提高耐腐蝕性。

4結語

結合具體應用場合選擇合適的金屬材料是預防腐蝕最常用的方法。對于不同的材料，選擇合適的陽極氧化或表面處理方法對取得預期結構壽命具有重要意義。本文針對常見金屬材料腐蝕機理展開論述，提出了防腐蝕措施，對日常工作具有一定指導作用。

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作者：韓小明 單位：艾沛克斯（上海）企業管理有限公司