第第7 7章章 金属材料的防护方法金属材料的防护方法7.1 7.1 电化学保护电化学保护 7.2 7.2 控制环境方法控制环境方法7.3 7.3 覆盖层保护覆盖层保护7.1 电化学保护电化学保护 阴极保护阴极保护阴阴极极保保护护效效应应：金属电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧化反应过电位a 减小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应阴阴极极保保护护：利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护 外加电流阴极保护示意图电流关系:|Ic| Ia +I-|外加电流阴极保护阳极区阴极区腐蚀金属阴极阳极IcorIaIcIcor=Ia=|Ic|腐蚀电池I直流电源辅助阳极阴极阳极辅助阳极IIcIaIaI-两种腐蚀体系所需保护电流的比较阴极保护的原理：阴极保护的原理： 由外电路向金属通入电子，以供去极化剂还原反应所需，从而使金属氧化反应(失电子反应)受到抑制当金属氧化反应速度降低到零时，金属表面只发生去极化剂阴极反应 阴极保护的效果用保护度表示 保护参数：保护参数： 保护电位Epr：阴极保护中所取的极化电位显然，要使金属的腐蚀速度降低到零，达到“完全保护”(即保护度 =100%)，必须取阳极反应平衡电位作为保护电位，即取Epr = Eea。
(最小)保护电流密度ipr：与所取保护电位对应的外加极化电流密度叫做保护电流密度 *在两个保护参数中，保护电位是基本的控制指标 阴极保护适合的体系：阴极保护适合的体系： 从理论上来讲，任何体系都可以但在工程上作为一种腐蚀控制技术还要求保护电流密度比较小，在经济上才合算阴极保护的经济指标可以用保护效益Z来衡量 腐蚀体系的阴极极化率大，阳极极化率小(即阴极极化曲线陡而阳极极化曲线平)，则随着电位负移，金属腐蚀速度减小快，而保护电流密度增加慢，保护效益也就较大，可以满足经济指标方面的要求 阴极保护的腐蚀体系包括：土壤、海水、河水等环境中的碳钢管道、构筑物、设备 确定保护电位时应考虑两个方面的因素：第一，从保护效果来讲，Epr越负越好第二，析氢反应的影响 析氢是使极化电流密度迅速增大，保护效益降低；析氢还可能造成对设备金属材料的危害，如氢脆问题，以及对金属表面涂层的破坏 腐蚀体系是否适宜采用阴极保护：测量阴极极化曲线，确定保护电位及相应的电流密度再计算相应的保护度，确定是否适宜采用阴极保护 阴极保护举例：阴极保护举例： 测量阴极极化曲线，确定是否适宜采用阴极保护 从极化曲线上确定保护电位，及相应的保护电流密度。
计算保护度：测量极化曲线得出保护电位的大致范围后，将试样恒定在不同的极化电位，经过适当的暴露时间，用失重法测量金属的腐蚀速度，从而计算不同极化电位下的保护度 碳钢在联碱盐析结晶器溶液中的保护参数保护电位（nv/sce) -850 -900 -950-1000 - 1050 保护电流密度(A/m) 00.318 0.55 1.273.2腐蚀速度(mm/y)1.0840.2070.0404 0.02710.01700.0165保护度(%) 080.996.3 97.5 98.498.5析氢情况产生少量氢气泡大量析氢试验时间:144小时溶液成分:FnH 64 滴度CNH 28.8 滴度Cl- 100滴度试验温度：常温 金属或合金参 比 电 极Cu/饱和CuSOAg/AgCl/海水 (2)Ag/AgCl/饱和KClZn/洁净海水铁与钢 含氧环境 缺氧环境-0.85-0.95-0.80-0.90-0.75-0.85+0.25+0.15 铅-0.6-0.55-0.5+0.5 铜合金-0.5-0.65-0.45-0.6-0.4-0.55+0.6+0.45铝(3)正的极限值负的极限值-0.95-1.2-0.90-1.15-0.85-1.1+0.15-0.1（1）比表数据取自1973年8月英国标准研究所制定的阴极保护规范（2）海水指洁净，并未稀释的海水（3）铝进行阴极保护时，电位不能太负，否则会加速腐蚀，产生负保护效应一些金属的保护电位 (单位：V) 钢铁的（阴极保护）保护电流密度环境条件Ipr(mA/m)环境条件Ipr(mA/m)稀硫酸海水淡水高温淡水高温淡水室温流动流动氧饱和脱气1201506018040中性土壤中性土壤中性土壤混凝土混凝土细菌繁殖通气不通气含氯化物无氯化物40040451 几个腐蚀体系的阳极保护参数 金属溶液温度C致(A/m)维(A/m)Epp-Etp(v.sce)碳钢碳钢碳钢不锈钢50%HSO碳铵生产碳化液25%NHOH67%HSO2740室温242325300左右2.656310.51Eq=0则金属表面带过剩正电荷； 当EcorEq=0则带过剩负电荷。
为了促进物理吸附，可采取改变金属表面带电状态的办法如添加 Cl- 化学吸附是指缓蚀剂分子中极性基团中心原子的未共用电子对和金属形成配价键而引起吸附 电极系统的零电荷电位（V，SHE,室温） 电极 材料 电解质溶液零电荷 电位 电极 材料电解质溶液零电荷电位AgC(石墨)C(活性)CdCoCrCuFeGa0.1NKO0.01N NaSO0.05N NaClINHSO+INNaSO0.001 N KCL0.1NHO+0.02NNaSO0.1N NaOH0.02 N NaSO0.1N HSC+0.002NNaSO0.1NHcl+INKCl -0.05-0.70-0.07-0.0-0.2-0.90-0.33-0.45-0.02-0.29-0.60HgNiPbPboPt(光亮)Pt(铂墨)TeTlTl(Hg)zn0.01N NaF0.001N HCl0.001N KCl0.01N HClO0.1NHSO+INNaSO 0.01NHSO+INNaSOINHSO0.001N KClINNaSOINNaSO-0.192-0.06-0.691.800.270.4-1.00.61-0.80-0.65-0.63缓蚀机理主要有两种类型：缓蚀机理主要有两种类型： 几何复盖效应：指吸附膜将金属表面与酸溶液隔离开，在覆盖了缓蚀剂吸附膜的金属表面部分，电极反应不能进行；而未覆盖表面部分电极反应按原来的历程进行。
负催化效应：指缓蚀剂覆盖了金属表面的活性位置，使电极反应的活化能位垒升高，电极反应速度降低 气相缓蚀剂气相缓蚀剂(VPI)(VPI) 气相缓蚀剂主要用于减轻金属设备和部件的大气腐蚀其作用机理是汽化以后，和空气中的湿气一起凝结在金属表面，形成液膜 为了使气相缓蚀剂能有效发挥作用，使用空间应当是封闭的，如包装箱、仓库气相缓蚀剂应当有比较大的蒸汽压，容易挥发充满金属设备所在空间 缓蚀剂的协同效应缓蚀剂的协同效应 几种物质分别单独加入介质中时效果不大，甚至没有缓蚀作用，而将它们按某种配方复合加入，则可能产生很高的缓蚀效率这种现象称为缓蚀剂的协同效应(或协同作用)相反，复合加入时缓蚀效果反而降低，称为负协同效应协同效应不是简单的加和，而是相互促进 利用缓蚀剂的协同效应已经开发出许多高效的复合缓蚀剂，今后仍然是缓蚀剂发展的方向之一 缓蚀剂应用的几个问题缓蚀剂应用的几个问题 (1)要根据腐蚀体系的具体情况选择有效的缓蚀剂，因为缓蚀剂的保护效果具有选择性2)要通过试验确定缓蚀剂的最佳投效剂量和最佳使用条件 (3)缓蚀剂对生产过程可能不利影响如：起泡，形成乳状液；使锈皮疏松脱落而导致管线阻塞；造成新的腐蚀问题；结垢而影响传热，这主要指沉淀型缓蚀剂 。
(4)缓蚀剂对设备材质是否会造成损害 (5)缓蚀剂的毒性和环境污染是一个重要问题 (6)在实际生产系统中缓蚀剂的流失是造成失效的常见原因 (7)进行缓蚀剂保护效果的经济评价开发高效而价廉的缓蚀剂品种 (8)为了保证缓蚀剂使用有效而经济，应对保护效果进行监测，避免缓蚀剂浓度不足达不到保护效果，或者缓蚀剂加入过多造成浪费 缓蚀剂应用实例缓蚀剂应用实例 （1）酸洗 酸洗除锈和除垢是一种常用的金属表面清净处理，其原理是利用酸溶液对金属表面锈层和垢层的溶解能力，以及析氢所产生的机械剥离作用良好的酸洗液应满足以下要求： 除锈(或除垢)速度快；对基体金属腐蚀小酸洗液需加入高效缓蚀剂 ；抑制酸雾能力强；不会对金属材料机械性能造成不利影响 部分国产酸洗缓蚀剂三种所相缓蚀剂的蒸汽压名称主要成分缓蚀剂温度 蒸汽压(Pa)天津若丁(新）沈D二邻甲苯硫脲，食盐，淀粉，平平加苯胺，甲醛缩合物工读3兰4A苯胺，乌格托品缩合物没酸，苯胺，乌格托品缩合物亚硝酸二环已胺10320.003990.0532兰57701苯胺，乌格托品，硫氰化钾，苄基吡啶釜残，季铵盐亚硝酸二民丙胺15.6250.4820.8267801BH2苯胺，乌格托品，苯已酮咪唑啉类碳酸环已胺252853.2266IMC4川天128601CT季铵盐类苯胺环已酮，甲醛，炔醇烷基吡啶苄基委铵盐，平平加(2) 石油工业 为了提高油、气产量，需要采用酸化工艺。
在高温井中用1520%盐酸进行酸化压裂施工，缓蚀剂的保护性能是关键 (3) 循环冷却水 (4) 汽车冷却系统 (5) 机器、设备、部件防锈 (6)化学工业中的应用 合成氨装置脱碳系统、尿素合成塔 7.3 7.3 覆盖层保护覆盖层保护 覆盖层保护的特点覆盖层保护的特点 (1)基底材料和覆层材料组成复合材料，可以充分发挥基底材料和覆层材料的优点，满足耐蚀性，物理、机械和加工性能，以及经济指标多方面的需要 (2)覆盖层的保护效果和使用寿命取决于三个方面的因素： a.覆层材料在使用环境中的耐蚀性、强度、塑性和耐磨性 b.覆层的均匀性、孔隙和缺陷 c.覆层与基体金属的结合力 复层材料的耐蚀性不难通过合理选材来解决使复盖层保护达不到要求保护效果的主要原因是覆盖层不连续，缺陷多，以及与基体结合差这是覆盖层保护应用中必须注意解决的问题，特别是要注意施工技术的选择和施工质量的保证 覆盖层保护技术的主要种类覆盖层保护技术的主要种类 电镀 喷涂渗镀金属镀层热浸金属化学镀覆盖层金属衬里双金属复合板阳极氧化 化 学 化学氧化 转化膜 磷酸盐处理,草酸盐处理, 铬酸盐处理油漆涂料 塑料涂覆 非金属 搪瓷 覆盖层 钢衬玻璃 非金属材料衬里 暂时性防锈层选择覆盖层保护技术时应当考虑的方面选择覆盖层保护技术时应当考虑的方面 (1)复层材料选择a.覆层材料在使用环境中是否有良好耐蚀性；b.覆层材料和基底材料是否相容；c.覆盖层能否使设备的功能不受影响，如传热、导电等方面的需要能否保持。
2)覆盖层种类的选择(3)经济上是否合理 金属覆盖层金属覆盖层 （1）阳极性覆层在使用环境中，覆层材料的电位比基体金属的电位负，比如铁表面上用锌作覆层在覆层缺陷处形成的腐蚀电池中，覆层是阳极，能够对基体金属起到阴极保护作用阳极性覆层常用作防护性覆层电解质溶液锌钢锌腐蚀阳极性覆盖层 (2)阴极性覆层 在使用环境中，覆层材料的电位比基体金属的电位正，如铁表面上覆盖铬、镍如果覆盖层存在缺陷，将加速基体金属的腐蚀因此阴极性覆层必须足够完整、无孔隙，才能取得好的保护效果机械隔离作用覆层的极性不是绝对的，当环境条件改变时，覆层和基体金属的电偶关系可能发生反转电解质溶液钢腐蚀铬钢 阴极性覆盖层 各种金属复盖层简介各种金属复盖层简介 （1）电镀电镀的优点：镀层金属纯度高，分布均匀，与基体金属结合牢固镀层具有较高硬度和耐磨性能为获得同样保护效果所需要的覆层金属最少镀层厚度容易控制，一般在常温下进行，电镀适应范围很宽，从正电性金属到负电性金属，从低熔点金属到高熔点金属，从高纯金属到合金，都可以进行电镀 阳极 (Zn) 阳极反应： Zn = Zn2+ + 2e 阴极(工件) 阴极反应： Zn2+ + 2e = Zn 直流电源 - + 含Zn2+电镀液 电镀锌原理电镀锌原理(2) 喷涂(亦称喷镀) 优点：镀层厚度不受限制，对修复较长工件特别有利。
喷涂工艺和设备比较简单，移动方便，不管设备和部件的形状和尺寸，都可按需要得到良好的喷涂层缺点：涂层结构不强，。