電化學腐蝕原理和應用

電化學腐蝕，指金屬表面與離子導電的介質發(fā)生電化學反應而產生的破壞。換句話說，就是金屬和電解質組成兩個電極，組成腐蝕原電池。例如鐵和氧氣，因為鐵的電極電位總比氧的電極電位低，所以鐵是負極，遭到腐蝕。特征是在發(fā)生氧腐蝕的表面會形成許多直徑不等的小鼓包，次層是黑色粉末狀潰瘍腐蝕坑陷。在反應過程中有電流產生，腐蝕金屬表面上存在著陰極和陽極。陽極反應是金屬原子失去電子而成為離子狀態(tài)轉移到介質中，稱為陽極氧化過程。陰極反應是介質中的去極劑吸收來自陽極的電子，稱為陰極還原過程。這兩個反應是相互獨立而又同時進行的，稱之為一對共軛反應。由陰陽極組成了短路電池，腐蝕過程中有電流產生。

金屬的電化學腐蝕原理

金屬放置在水溶液中或潮濕的空氣中，表面會形成一種微電池，也稱腐蝕電池(其電極習慣上稱陰、陽極，不叫正、負極)。陽極上發(fā)生氧化反應，使陽極發(fā)生溶解，陰極上發(fā)生還原反應，一般只起傳遞電子的作用。腐蝕電池的形成原因主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，因而使空氣中等溶解在這層水膜中，形成電解質溶液，而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的，如工業(yè)用的鋼鐵，實際上是合金，即除鐵之外，還含有石墨、滲碳體以及其它金屬和雜質，它們大多數(shù)沒有鐵活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽極為鐵，而陰極為雜質，又由于鐵與雜質緊密接觸，使得腐蝕不斷進行。

電化學腐蝕陰陽極的判定——金屬的電動序

假如將一根導線連接浸在某種電解液中的兩塊不同的金屬板,就會發(fā)現(xiàn)有電流流動和電化學反應發(fā)生,這種結構組成了原電池。如果由鋅板和銅板組成,則會發(fā)現(xiàn)鋅板會逐漸消耗,而在銅板上有氣泡出現(xiàn)(如下圖)。鋅板作為電池的陽極而銅板作為陰極,兩塊金屬板上發(fā)生了電化學反應。

用不同的金屬組合研究,就可以排列出金屬的電動序,如Mg>A1>Zn>Fe>Sn>Cu。當兩種金屬在電解液中連接時,處于前面位置的金屬為陽極,后面的為陰極。例如Zn-Fe成對,Zn是陽極;而Fe-Cu成對,Fe是陽極。前者Zn被腐蝕,后者Fe被腐蝕。各種金屬的反應活性還可以根據(jù)其標準電極電勢值(表5-7)來判斷,標準電勢負值越高,表明該金屬越容易被氧化成為離子;反之,標準電勢正值越高,表明該金屬越不容易被氧化。

電化學腐蝕影響因素

1、溫度

水溫對溶解氧引起的鋼鐵腐蝕過程有較大的影響.在封閉系統(tǒng)中,水的溫度愈高,金屬腐蝕的速度愈快.這是因為,溫度升高時,各種物質在水溶液中的擴散速度加快和電解質水溶液的電阻降低,這些都會加速腐蝕電池陰陽兩極的電極過程.

2、溶解氧量

由于氧氣是一種去極化劑,所以在一般情況下,水中氧氣含量愈多,鋼鐵的腐蝕愈嚴重.但在某些特定條件下,鋼材受溶解氧腐蝕的結果會在其表面上產生保護膜,從而減緩腐蝕速度.此時,水中氧氣的含量愈大,產生保護膜的可能性也就愈大,所以會使腐蝕減弱.

3、pH值

水的pH值是對金屬腐蝕速度影響很大的一個因素.當pH值很低時,也就是在含有氧的酸性水中,pH值越低,腐蝕速度越大,這是因為在低pH值時,鐵的腐蝕主要是由氫離子充當去極化劑引起的；當pH值在中性點附近時,曲線成水平直線狀,即腐蝕速度雖pH值的變化很小,這是因為此時發(fā)生的主要是氧的去極化腐蝕,水中溶解氧擴散到金屬表面的速度才是影響此腐蝕過程的主要因素；當pH值較高時,即pH值大于8以后,隨著pH值的增大,腐蝕速度降低,這是因為氫氧根離子含量時,在鐵的表面會形成保護膜.

4、水中鹽類的含量和成分

從水中含有鹽類的總量來說,一般的情況是,水的含鹽量愈多,腐蝕速度愈快.因為水的含鹽量愈多,水的電阻就愈小,這樣,腐蝕電池的電流就愈大.

5、水的流速

一般來說,水的流速愈大,水中各種物質擴散的速度也愈快,從而電化學使腐蝕速度加快。在空氣中氧進入水溶液而引起腐蝕的敞口式設備中,當水的流速達到一定數(shù)值時，多量的氧會使金屬表面形成保護膜，所以腐蝕速度減慢；但當水的流速很大時，由于水流的機械沖刷作用，保護膜遭到破壞，腐蝕速度又會。

腐蝕的防護

1、電化學保護

電化學保護分為陰極保護和陽極保護兩種。

陰極保護是將被保護的金屬與外加電流電源的負極相連，在金屬表面通入足夠的陰極電流，使金屬的電位變負，從而使金屬溶解速度減小的一種保護方法。陰極保護技術應用已經比較成熟。陰極保護與覆蓋層聯(lián)合保護，這樣由于絕大部分面積被覆蓋層覆蓋，電流的消耗大為降低，同時又克服了單獨采用覆蓋層保護容易出現(xiàn)針孔、局部損壞等缺點；陰極保護與緩蝕劑保護聯(lián)合使用，可以解決單獨使用緩蝕劑效果不大、或耗藥量大的缺點，也可以解決因為結構復雜單獨使用陰極保護效果不佳的缺點。

陽極保護是將被保護的金屬構件與外加直流電源的正極相連，在電解質溶液中，使金屬構件陽極極化至一定電位，使其建立并維持穩(wěn)定的鈍態(tài)，從而陽極溶解受到抑制，腐蝕速度降低，使設備得到保護。但是陽極保護只能應用于電解質成分特定、且處于液相中的金屬。介質中鹵素離子濃度不能超過一定臨界值，否則這些活性離子會破壞金屬鈍態(tài)，從而把陽極保護功能破壞掉。

2、緩蝕劑保護

緩蝕劑保護是通過添加少量能阻止或減緩金屬腐蝕的物質使金屬得到保護的方法。緩蝕劑保護的特點是投資少、收效快、使用方便。但是緩蝕劑的應用也有一定的局限性：緩蝕劑不宜在高溫下使用、只能用在封閉和循環(huán)的體系中、具有較強的針對性、污染及廢液回收處理問題也應慎重考慮。所以緩蝕劑在使用時應該根據(jù)具體情況嚴格選擇。在我國緩蝕劑是很重要的防腐方法之一，廣泛應用于石油、化工、鋼鐵、機械、動力、運輸?shù)炔块T。 緩蝕劑與其它防腐方法聯(lián)合使用，取得的效果更佳。

3、覆蓋層保護

覆蓋層保護是用耐蝕性能良好的金屬或非金屬材料覆蓋在耐蝕性能較差的材料表面，把基體材料與腐蝕介質隔開，以達到控制腐蝕的目的。表面覆蓋層保護法不僅能提高基底金屬的耐腐蝕能力，而且能節(jié)約大量貴重金屬和合金。無論采用金屬覆蓋層還是非金屬覆蓋層，都要與基體金屬要有良好的結合力，在施工前都要先對設備進行表面清理，然后再進行覆蓋層的施工。表面清理的主要方面就是除油、除銹。除油的方法有化學除油和電化學除油?；瘜W除油主要是用有機溶劑、堿液清洗?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了一些新型的合成洗滌劑。

電化學腐蝕的應用

1、電化學加工

利用電化學腐蝕對金屬材料進行加工的方法。與機械加工相比，電化學加工不受材料硬度、韌性的限制，已廣泛用于工業(yè)生產中。常用的電化學加工有電解加工、電磨削、電化學拋光、電鍍、電刻蝕和電解冶煉等。

2、腐蝕性能測試

在實驗室中主要采用浸出法和電化學測試方法對硬質合金的電化學腐蝕性能進行研究。電化學方法主要通過動電位掃描得到硬質合金試樣的極化曲線，從而得到腐蝕電位、腐蝕電流密度、臨界電流密度、鈍化區(qū)間最小電流密度等參數(shù)來評價硬質合金的腐蝕性能。

3、船舶防腐

在所有的船舶系統(tǒng)中，海水系統(tǒng)是工作環(huán)境最惡劣的系統(tǒng)，它的流通介質是海水，是腐蝕性最強的天然腐蝕劑之一。所以海水系統(tǒng)中的管路、閥件、設備是最容易受到電化學腐蝕的。常用的防腐方法有：在不同金屬接觸的地方增加犧牲法蘭或者犧牲管，以此削弱電解質溶液作用，中和海水中的負離子溶液作用；使用非金屬材料或電位相同的金屬材料，這些材料不易發(fā)生腐蝕；還有船舶上最常用的方法就是切斷不同金屬間的聯(lián)通。