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金屬材料的腐蝕與防護
腐蝕是指金屬由于環境介質作用而導致的變質和破壞。
按腐蝕原理分類，腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。
一、化學腐蝕
金屬的化學腐蝕是指金屬與周圍介質直接發生化學反應而引起的變質和損壞的現象。化學腐蝕是一種氧化-還原反應過程，也就是腐蝕介質中的氧化劑直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產物。
金屬的化學腐蝕主要發生在如下四種介質中。
（1）金屬在干燥大氣體中的腐蝕
金屬在濕度不大的大氣條件下的腐蝕屬于化學腐蝕，這種腐蝕進行的速度較慢，造成的危害輕微。
（2）金屬在高溫氣體中的腐蝕
這是危害嚴重的一類化學腐蝕，如金屬的高溫氧化，在高溫條件下，金屬與環境中的氧或氧化性氣體(H2O、SO2、CO2等)化合生成金屬化合物，溫度越高，金屬的氧化速度越快；鋼的高溫脫碳，在高溫氣體作用下，金屬表面與高溫氣體中的02、H20、S02、H2反應，使碳的含量減少，金屬的表面硬度和抗疲勞強度降低。
（3）其他氧化劑引起的化學腐蝕
在腐蝕反應中奪取電子導致金屬原子成為離子的物質不是氧，而是硫、鹵素原子或其他原于或原子團，這時反應物不是氧化物，而是鹵化物、氫氧化物或其他化合物。這種情況下，腐蝕速度和危害程度取決于金屬及氧化物的性質。
（4）金屬在非電解質溶液中的腐蝕
金屬在不含水、不電離的有機溶劑中，與有機物直接反應而受化學腐蝕，如Al在CCl4、Mg和Ti在甲醇中的腐蝕，這類腐蝕比較輕微。
二、電化學腐蝕
金屬電化學腐蝕指金屬與介質發生電化學反應而引起的變質和損壞。其特點是在腐蝕過程中有電流產生，金屬在各種酸、堿、鹽溶液、潮濕大氣、工業用水中的腐蝕，都屬于電化學腐蝕。電化學腐蝕是一種比化學腐蝕更為普遍、危害更加嚴重的腐蝕。
（一）電極電位
把Zn置于水溶液中，由于極性水分于的作用，Zn表面上的Zn離子克服自身電子的引力，一些Zn離子將脫離金屬表面進入相接觸的水中形成水化離子，與這些離子保持中性的電子仍然留在金屬上，這就是氧化反應。隨著反應的進行，生成的水化離子越多，金屬表面的過剩電子也越多。當金屬的氧化反應到一定時間，動態上不再進行，其結果形成了由金屬表面帶負電，與金屬相接觸的水中帶正電的雙電層。許多金屬如鐵、鎘等浸在水或酸、堿、鹽的水溶液中，都能夠形成這樣的雙電層。
如果金屬離子的水化能不足以克服金屬離子與電子的吸引力，則溶液中的水化離子可能被金屬上的電子吸引而進入金屬內部，因而金屬表面帶正電荷，與之相鄰的液層中聚集陰離子而帶負電荷，形成一種與前相反的雙電層，銅、銀、金等金屬在含有該金屬鹽的水溶液中就形成這種雙電層。雙電層示意如圖1-1所示。
形成雙電層的金屬及電解質溶液稱為電極。不同的電極有不同的電位，若規定某一電極的電位為零電位，此電極為參比電極，相對于參比電極的電位差就成為該電極的電極電位。
圖1-1 雙電層示意圖
圖1-2 金屬鋅和金屬銅組成的腐蝕電池
（二）腐蝕電池
如果把兩種電極電位不同的金屬互相接觸，或用導線連接，同時放入同一電解質中．就組成了腐蝕電池。如圖1-2所示為金屬鋅和金屬銅組成的腐蝕電池，鋅的電極電位低，銅的電極電位高，鋅離子不斷進入電解質溶液中，多余的電子通過導線流向了銅極。在鋅極上發生的是氧化反應Zn-2e→Zn2+，在銅極上發生的是還原反應2H++2e→H2。腐蝕電池的總反應為
Zn+2H+
Zn2++H2↑
反應的結果造成金屬鋅的電化學腐蝕和溶液中的氧化劑被還原成氫氣并聚成氣泡逸出。在腐蝕電池中，發生氧化反應的電極稱陽極，發生還原反應的電極稱陰極。在以上腐蝕電池中，鋅為陽極，銅為陰極，鋅失去電子遭腐蝕，銅得到保護。金屬的電化學腐蝕性決定于電極電位，電極電位低的容易被腐蝕。
三、金屬腐蝕的防護措施
腐蝕主要決定于兩個方面，一是材料本身的性能，二是材料所處的環境或所接觸的介質。這就要求要認真分析環境介質的性質，正確選擇材料；要改善腐蝕環境或介質。
金屬設備的常用的防腐措施。
(一)涂敷保護層
在金屬表面涂敷耐腐蝕的保護層，使金屬與腐蝕環境或介質分開，從而達到防止金屬腐蝕的目的。涂層分為金屬保護層和非金屬保護層。
1.金屬保護層
金屬保護層常稱為鍍層，通常以涂敷工藝來命名。常用的有電鍍、熱鍍、滲鍍、噴鍍、熱浸鍍、包鍍等、目的就是在金屬外部包裹一層耐腐蝕的金屬層。
2.非金屬保護層
非金屬保護層分為無機涂層和有機涂層。無機涂層指搪瓷、玻璃涂層，硅酸鹽涂層和化學涂層。硅酸鹽涂層主要采用硅酸鹽水泥作保護層，化學涂層又稱化學膜，是采用化學的方法使金屬離子沉積而形成金屬鍍層的方法。
有機涂層包括涂料涂層、塑料涂層和硬橡膠涂層。涂料是一種流動性物質，能夠在金屬表面展開連續的薄膜，固化后即能將金屬與介質隔開。塑料涂層是用層壓法將塑料薄膜直接粘在金屬表面。硬橡膠涂層是將硬橡膠覆蓋于金屬表面。
(二)電化學保護
根據電化學腐蝕原理，如果把要保護的金屬的電極電位提高，或是把金屬的電極電位降低到一定程度，則可降低腐蝕速度，甚至使腐蝕*停止。這種通過改變電極電位來控制金屬腐蝕的方法稱為電化學保護。電化學保護常用陰極保護法。
陰極保護又分為外加電流法和犧牲陽極法。
外加電流法是把被保護的金屬設備與直流電源的負極相連，電源的正極與另一種被稱為輔助電極的金屬相連，如圖1-3（a）所示。電源接通，電源電流的方向與腐蝕電池的方向相反，調整電源電流的大小，就能達到減少甚至停止腐蝕的目的。外加電流法在石油、化工、環境工程等方面得到了廣泛的應用。
犧牲陽極法是在被保護的金屬上連接一塊電極電位更低的金屬作為犧牲陽極,如圖1-3(b)。由于外接的犧牲陽極電位比被保護的金屬低，更容易失去電于面遭到腐蝕。如防止鐵制地下管道的電化學腐蝕，可在管道上附以金屬鋅。出于鋅的電極電位較鐵的電極電位低，因而失去電子發生氧化反應而遭到腐蝕，鐵制管道被保護下來。
圖1-3 陰極保護法
(三)腐蝕介質的緩蝕
在腐蝕介質中加入緩蝕劑，改變介質的性質，可降低或消除對金屬的腐蝕作用。緩蝕劑就是能夠阻止或減緩金屬在環境介質中腐蝕的物質,主要用于管道內壁的防腐。
1.酸性介質的防腐
在管道和鍋爐的酸洗除垢中，常在酸溶液中加入吸附型緩蝕劑表面，改變金屬表面的性質，從而達到防止酸性介質腐蝕的目的。
2.中性介質的防腐
緩蝕劑可吸附在金屬在循環水和鍋爐給水等中性介質中，腐蝕基本是由水中溶解氧和游離二氧化碳引起的，特別是在循環冷卻水系統中，由于水的多次循環使用，使水中無機鹽類逐漸濃縮，造成管道內壁腐蝕、結垢等。常在系統中加入氧化型或沉淀型緩蝕劑，使管道內壁形成致密的氧化膜(鈍化劑)，或具有防腐的沉淀膜，以達到防腐目的。常用的緩蝕劑有；絡酸鹽、聚磷酸鹽、硅酸鹽和銅酸鹽等。
3.蒸汽及供暖管道的防腐
這種腐蝕主要由水中溶解氧、氯離子及溶解鹽類引起的腐蝕。其防腐措施是采用離子交換法或加緩蝕劑和脫氧劑等進行除氧、除垢。常用的緩蝕劑有：聚磷酸鈉、硅酸鹽和鉑酸鹽等，脫氧劑主要是亞硫酸鈉。對長期停用管道，可用濃度為200mg/l的亞硝酸鈉溶液充滿管道，即可防止管道內壁的氧腐蝕。