摘要：本文主要介绍了金属材料的腐蚀与腐蚀机理、金属材料腐蚀的危害与影响因素，并详细综述了改善金属材料所处的环境、改善金属材料的本质、改善金属表面使其形成保护层、电化学保护法的原理以及其在金属防腐中的主要应用，最后论述了金属腐蚀防护的研究发展方向，全文内容紧密结合，期望能为研究金属材料腐蚀与防护的读者提供帮助。
关键词：金属腐蚀；危害；影响因素；腐蚀防护
金属材料是我们当今生活中应用最为广泛的一种材料，同时也是工程建设中的支柱性材料，但是金属材料的腐蚀却给我们的工程项目造成了很大的损失和风险。据统计，全球每年因为腐蚀原因而报废的金属材料约占全年金属产量的百分之十左右，根据美国的第七次金属腐蚀损失调查结果显示，美国每年因为金属材料腐蚀而造成的损失就能占到其GDP的百分之三。因此，研究金属的腐蚀内在规律，探究适合的金属腐蚀防护和新的防腐蚀材料是很有必要的。
金属材料腐蚀的原因很多，但就其腐蚀性质和机理来说主要可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和生物腐蚀等几种。金属材料的腐蚀是一个复杂的化学反应的过程，但是所有的腐蚀过程都有一个共性，那就是金属自身的原子因为氧化而转向金属阳离子的过程。
1金属材料的腐蚀与腐蚀机理
金属腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和生物腐蚀等几种类型，这其中的电化学腐蚀是指金属在水溶液中形成电池而引起的腐蚀。现实中由于大多数金属是通过工厂耗能冶炼而从矿石中提取出来的，所以其就由矿石形态变为单质形态而形成金属。在一般的腐蚀过程中，金属单质将失去其所带的电子转变为离子形态，同时这个过程还伴随着能量的释放，将会造成金属材料自身的热力学自由能整体降低，这样就能保持着金属材料原始的稳定状态不被外界所破坏。因此金属腐蚀其实是热力学不稳定状态所导致的，在热力学上来说是一个自发的转变过程，金属材料腐蚀从狭义上来说是指金属与环境介质间发生的物理-化学作用发生氧化还原反应，致使金属性能发生变化，并导致金属结构体系功能受损的现象，而广义上是指材料与环境发生反应而导致材料的破坏及其性能恶化[1]。金属材料的腐蚀机理是十分复杂的一个过程，分类形式也是多样化的，按腐蚀的环境条件，分为海洋腐蚀和内陆腐蚀；按腐蚀破坏形态和区域，分为全面腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀过程又可分为化学腐蚀、电化学腐蚀、力化学交互腐蚀、生物腐蚀等。
2金属材料腐蚀的危害与影响因素
2.1 金属腐蚀的危害
金属材料腐蚀的危害是多方面的，有间接的危害，也有直接的危害；有对公民本身的危害，也有对重大工程项目的危害，具体危害有以下几个方面。
（1）金属腐蚀会还给社会直接或间接地造成严重的经济损失和安全威胁。这方面的例子举不胜举，这方面的教训和影响是沉痛的、深远的。
（2）金属腐蚀给社会造成重大的财产生命损失。一些腐蚀实在材料内部发生的（如应力腐蚀和疲劳腐蚀），在人们毫无察觉的情况下造成严重的事故，给社会造成重大的经济负担和财产损失。如上世纪的80年代，一架载有几百名乘客的波音747客机因为应力腐蚀而在飞行的过程中断裂坠毁，直接造成几百人的死亡[2]。
（3）金属材料的腐蚀是对社会能源造成的浪费。石油、机械、农药、化工等工厂进行工业生产中，由金属腐蚀所造成设备滴漏或渗液，不仅给工厂的经济造成重大损失，更重要的是这些有毒有害的泄露物质会对人们生存的环境造成污染，直接或间接地危害着人们的生命
例如，山东省的一家电镀企业由于生产场地未进行彻底的防腐处理，导致大量的铬金属在生产过程中发生泄露，经抽样检查泄露的铬金属流入地下深度达到500m，致使方圆因为铬金属中毒的人数达到数万人。
2.2金属腐蚀的影响因素
（1）空气中存留的一些污染性物质的影响：常见的如：CO2，SO2， Cl-，灰尘等，这些污染物质大都是酸性气体。
（2）金属腐蚀的气相对湿度和临界相对湿度的影响。由于空气中的氧气成分含量比较高，所以只要空气的湿度达到一定的程度，金属腐蚀就会产生和慢慢发展，而对于钢铁材料来说，其生锈的空气临界湿度大约是75%。
（3）环境的酸碱盐的影响。环境中的酸碱盐的影响主要是影响H＋浓度和水膜电解质浓度，从而加速金属的腐蚀速度。
（4）环境温度的影响。环境温度的变化主要会对金属的电化学腐蚀反应及金属表面水份凝聚速度。
（5）金属加工生产过程中的影响。这主要包括金属切削液、人汗、油污、洗涤液等均会对金属的腐蚀起到加速的作用。
3 金属材料腐蚀防护措施
3.1 改善金属材料所处的环境
要想减少金属材料的腐蚀或腐蚀速率，改变金属材料所在的环境条件是一个很有效的措施。还可以采用在环境腐蚀介质中添加能降低金属腐蚀速率的物质（如缓蚀剂等），以此来减小和防止金属的腐蚀。
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3.2改善金属材料的本质
通过在金属中添加一些合金元素和控制合金元素的含量可以增强金属耐腐蚀的能力，提高金属的耐腐蚀效果，从而对金属的腐蚀起到减缓或防止的作用。例如，在金属冶炼的过程中加入镍元素或铬元素炼制城合金金属，可以极大地增强金属的耐腐蚀能力。
3.3 改善金属表面使其形成保护层
在现实的金属防腐过程中，采用最多的是在金属的表面上覆盖一种保护涂层，这样做是为了能够把金属材料与环境中的腐蚀介质相隔开来，这样就能够防止金属材料和环境中的腐蚀介质直接相接触，两者不能相接触也就不会发生相互反应而进行腐蚀。在工业生产过程中经常使用的金属保护层有金属保护层和非金属保护层两种，而在金属表面覆盖保护涂层的方法主要有以下几种。
（1）金属的氧化处理
这种方法主要是将钢铁类制品加到NaNO2和NaOH的混合溶液中，然后进行加热处理，金属材料的表面就会生成一层厚度大约在0.5至1.5微米的蓝色氧化薄膜（其主要成分为Fe3O4），从而实现钢铁材料防腐蚀的目的。因此光学仪器和精密仪器的部件、薄钢片、弹簧钢、细钢丝等常进行发蓝处理。
（2）金属材料的磷化处理
钢铁材料经过除油→水洗→酸洗→水洗→细化→磷化→钝化→风干这些工艺操作后就能在金属表面产生一层极薄的磷化膜，在这种磷化膜的微小细孔中，能贮存一定的润滑油，可以改善丝扣表面的接触条件，从而起到金属防腐的作用。肉眼检查磷化膜晶粒细小，磷化层均匀，呈黑灰色，磷化膜厚度一般在5至30微米之间，磷化膜的结构是微孔形的，对油漆具有很强的吸附能力，在防腐过程中如果把磷化膜作为油漆的底层进行防腐处理，那么金属防腐的效果能够得到很大的加强。
（3）金属保护层
这种方法主要是通过将一种金属（如铜金属、镍金属等）镀在需要被保护的另一种金属材料的表面形成具有抗腐蚀性能的金属保护镀层，用来进行镀制的金属（如铜金属、镍金属等）被称为镀层金属，接受镀层保护膜的金属被称为本体金属。金属制品金属镀层的形成有多种方法，除了常见的化学镀、电镀以外，还有热喷镀、热浸镀、真空镀、渗镀等多种方法。其中热浸镀主要是将需要镀层的金属制品浸人熔融的金属中在表面形成金属镀层的一种方法，作为浸涂层的金属通常选用的是一些低熔点的金属，例如锡、锌、铝、铅等。一般使用的钢板、钢管、钢丝、钢带等制品元件使用最多的镀层方法是热镀锌；食品加工、薄钢板等贮存容器主要采用的是热镀锡；包覆电缆、化工防蚀一般采用的都是热镀铅工艺；钢铁零件的抗高温氧化一般采用的是热镀铝工艺[3]。
（4）非金属涂层
非金属涂层主要是通过在金属表面覆盖一层非金属的物质，这些非金属的物质有较强的防腐蚀能力，从而起到对金属材料的保护作用，常用的非金属材料有搪瓷、矿物性油脂、塑料、油漆等，因为这些非金属材料具有很强的抗腐蚀性能，有的甚至不会被腐蚀，从而起到很好的防腐目的。非金属涂层根据不同的用途选择不同的非金属材料进行覆盖，车厢、船身、水桶、汽车外壳等经常使用的是油漆涂层，现实生活中我们也经常见到；枪炮、机器等经常外涂矿物性油脂。比油漆效果更好的非金属涂层是塑料涂层，如聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酷等，这些塑料物质喷涂到金属表面能够很好地起到防腐蚀的作用，而且塑料涂层具有很多优点，比如色泽艳丽、覆盖层致密光洁、兼具防蚀与装饰的双重功能等。搪瓷是一种SiO2含量很高的玻璃瓷釉，具有极强的耐腐蚀能力，现实生活中被广泛应用到医药、石油化工、日常生活用品、工业制造等多个行业中。
3.4电化学保护法
电化学保护法主要是根据电化学原理对金属制品进行腐蚀防护的一种方法，主要使金属制品成为腐蚀电池中的阴极，就能有效地减轻或防止金属制品的腐蚀。电化学保护法主要有以下两种方法。
（1）外加电流法
外加电流法将需要被保护的金属制品作为一个电极，与另外一种附加电极形成原电池的两个极使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护，这就是我们常提到的阴极保护原理。
（2）牺牲阳极保护法
这种方法主要是通过两个电极来实现的，一般情况下把所要保护的金属材料作为电极的阴极材料，另一种金属材料固定在被保护金属材料上作为电极的阳极，这种材料要求其电极电势要比被保护材料低，从而形成腐蚀电极对被保护的金属起到防护作用。经常使用到的材料有锌、铝极其合金材料，此种方法经常用于防止海水中的各种金属设备、海船外壳、构件、石油管路及巨型设备（如贮油罐）的腐蚀。
4 结语
金属材料的腐蚀和防护的研究跟我们的生活息息相关，金属腐蚀的防护多我们的环境、安全、国民经济均有着重大的影响。目前应用最为广泛的是金属材料表面涂层防腐保护，随着科技的不断发展，新的金属材料的出现，人们更多的研究不损坏环境、成本低、污染小的有机和无机防护涂层材料，也许还有多种防腐材料相结合的复合型防腐材料的出现，这些都将是防腐技术未来需要研究和发展的重要方向。
参考文献
[1]曹楚南. 悄悄进行的破坏：金属腐蚀[M].北京：清华大学出版社，2000: 6.
[2] 陈君，张清等．金属腐蚀磨损的研究进展[J]. 腐蚀科学与防护技术，2014，26( 5) : 474.
[3] 陈宇.金属表面防护性涂层评价及缓蚀剂技术研究[D].杭州: 浙江大学，2013.
论文作者:谈向荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
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