金属的锈蚀与防锈

2017-02-20

“锈”的概念

经过切削或成型加工后的金属工件暴露在大气中不可避免地要受到水气、氧气或各类腐蚀性物质的侵蚀,发生化学或电化学作用,从而造成腐蚀。通常把金属受大气中水分、氧气或其他腐蚀性气体(硫化氢、二氧化硫、氧化氮“硝酸酐”、氯气)等介质的影响而引起的腐蚀或变色称为生锈或锈蚀。钢铁在大气中,因其表面形成局部微电池,引起的电化学反应从而生成的以氢氧化物或氧化物为主的化合物,广义上称为锈。

事实上黑色金属(钢铁)在防止锈蚀方面与有色金属相比更为薄弱.因为仅水分和氧气就足以使钢铁锈蚀,形成结构疏松的氢氧化亚铁、氢氧化铁。这个过程就叫生锈,其产物即为“铁锈”。而有色金属则主要表现为被腐蚀。锈蚀的过程通常由电化学腐蚀引起,而腐蚀则一般由化学腐蚀造成。

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金属大气腐蚀的因素

按接触的介质不同,金属的腐蚀可分为大气腐蚀、地下腐蚀、海水腐蚀和细菌腐蚀。大气腐蚀是最常见的金属腐蚀,它属于电化学腐蚀过程。

大气中影响金属腐蚀的重要因素之一,首先, 是空气的相对湿度,它关系到金属表面是否形成水膜及其厚度。水膜的生成是随着湿度和温度而转移的。当相对湿度低于临界湿度或低于65%时,不论在何种温度下,不能形成水膜,其时腐蚀速度很小,几乎不会腐蚀;当相对湿度高于临界湿度时,水膜形成,腐蚀速度突然增加,即使温度增加很慢,腐蚀速度也会成倍增加。温度每升高10℃,腐蚀速度提高约1倍。而周期性温差或湿度变化,则对金属的腐蚀更为严重。

其次,氧也是金属在大气中腐蚀的主要因素。氧易溶解并渗透于水膜中。金属表面的水滴底部,由于空气渗透和扩散不均,使水滴中心区的氧浓度低,形成阳极,边缘区的氧浓度高,形成阴极,通过水滴中心区的阳极反应使铁金属放出电子,电子通过金属流到水滴边缘,与阴极反应化合成氢氧化亚铁,沉积于阴阳两极之间的金属表面。铁与水接触直接反应生成氢氧化亚铁,而氢氧化亚铁于水滴中继续溶解扩散氧反应生成氢氧化铁。铁锈就是【mFe(OH)2、 nFe(OH )3、 pH2O】的混合物。

再次,除水和氧外,大气中还有各种污染气体。例如盐雾、二氧化硫、硫化氢、氨气等。都能使金属在大气中加快腐蚀速度。大气中的尘埃微粒具有毛细管凝聚作用。当金属表面有灰尘存在时,很快成为水珠凝聚的核心,它们在大气中含量虽然较少,但溶于水中的浓度却相当高,对金属腐蚀的影响很大。

锈蚀与防锈

表面生锈会使金属制品和机械设备的性能及应用受到极大损害。统计表明全世界每年因腐蚀损失的金属占金属总产量的10%以上。它不仅影响金属材料本身的外形、色泽及机械性能等,而且还使各种金属构件的质量、精度、灵敏度受损,直接影响使用价值。既然金属生锈有如此弊端,为了有效防止金属制件和设备的腐蚀,使金属与周围环境隔离应是有效的办法。其中之一是永久性防护如:改变金属内部结构(炼钢时添加其他元素,使其成为不锈钢);在金属表面采取氧化、磷化等化学方法转化覆盖层;用氮化、渗金属等方法使金属表面合金\化;也有用电镀、喷涂、化学鍍等方法改变覆盖层;或用搪瓷,、陶瓷、橡胶、涂料等非金属材料涂覆。但是金属原材料在机械加工的过程中,大量的金属表面不允许给于永久性防腐。例如:机床导轨面、刃具、量具、轴承、加工后金属的断面等金属表面都需要保持原来的表面,这就需要进行暂时性防腐,也就是暂时性防锈。润滑油分类中就有暂时保护防腐蚀一项。这里的“暂时”是指产品经过一定时间防锈后防锈材料能被去除,而并不是指这类产品的防锈期。

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暂时性防锈材料(防锈油、脂)

防锈油脂是在石油类基础油中加入油溶性缓蚀剂、成膜材料及其他辅助添加剂等调配而成。防锈油脂的作用如下:

(1)吸附作用

根据吸附理论,防锈油脂能起到防锈作用主要是因它在金属表面的吸附使金属离子化倾向减少,从而减少了金属表面原子的反应能,使金属表面趋于稳定状态。防锈油脂中的防锈剂是具有极性的有机化合物,也是表面活性剂,是由不对称的极性和非极性基团两部分组成。当防锈油脂涂于金属表面时,防锈剂的极性部分诸如:-OH、-COOH、-SO3、-NH2等在油-金属界面形成定向吸附,其吸附强度取决于极性基的强弱。防锈剂的非极性部分即烃基则在金属表面形成一层疏水性保护膜,阻碍参与腐蚀反应的电荷或物质的移动,使腐蚀速度减缓。其余的防锈剂分子,其非极性基朝外排列于油中,极性基则朝里排列聚集在一起,形成胶束存在于油中。这种胶束能溶化吸附水和不溶性不纯物。对难溶的防锈剂有助溶作用。防锈剂分子在油-气界面上形成的定向分子膜,在一定程度上也能降低氧在油中的溶解度和其他腐蚀物质的穿透。

(2)阻止腐蚀介质对金属的侵蚀

一般矿物油本身与金属的吸附力不强,形成的油膜不坚固,容易吸收并溶解部分水和氧气,不能阻止介质对金属的侵蚀。当加入防锈剂后,由于油中容存的防锈剂胶束对水起到增溶作用,使进入油中的水封闭在胶束中,减缓了油层的透水率。起到抑制锈蚀作用。

(3)对水膜有置换性

防锈油中的有些防锈剂对水膜具有置换性,可以将金属表面吸附的水膜置换掉,从而减缓金属腐蚀速度。水也是极性物质,这种防锈剂的极性比水分子的极性更强,与金属的亲和力更大,因而具有置换水的能力。

(4)对极性物质的中和置换和增溶作用

有的防锈油脂对极性物质有中和置换和增溶作用。它们在金属表面吸附得非常致密,使腐蚀介质难以渗透到金属表面,还由于防锈剂在临界胶束浓度以上时,其之吸附和捕捉作用,可将腐蚀介质封存在胶束中,而起到防锈作用。

(5)基础油的载体作用

基础油在防锈油中能起到载体作用,使防锈剂在油中充分分散;使基础油的分子深入到定向吸附的防锈剂分子之间,在吸附少的地方进行物理吸附,与防锈剂分子共同填补空隙,使吸附膜更为紧密,而有效保护金属。

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