金屬的銹蝕與防銹

2017-02-20

“銹”的概念

經過切削或成型加工后的金屬工件暴露在大氣中不可避免地要受到水氣、氧氣或各類腐蝕性物質的侵蝕,發生化學或電化學作用,從而造成腐蝕。通常把金屬受大氣中水分、氧氣或其他腐蝕性氣體(硫化氫、二氧化硫、氧化氮“硝酸酐”、氯氣)等介質的影響而引起的腐蝕或變色稱為生銹或銹蝕。鋼鐵在大氣中,因其表面形成局部微電池,引起的電化學反應從而生成的以氫氧化物或氧化物為主的化合物,廣義上稱為銹。

事實上黑色金屬(鋼鐵)在防止銹蝕方面與有色金屬相比更為薄弱.因為僅水分和氧氣就足以使鋼鐵銹蝕,形成結構疏松的氫氧化亞鐵、氫氧化鐵。這個過程就叫生銹,其產物即為“鐵銹”。而有色金屬則主要表現為被腐蝕。銹蝕的過程通常由電化學腐蝕引起,而腐蝕則一般由化學腐蝕造成。

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金屬大氣腐蝕的因素

按接觸的介質不同,金屬的腐蝕可分為大氣腐蝕、地下腐蝕、海水腐蝕和細菌腐蝕。大氣腐蝕是最常見的金屬腐蝕,它屬于電化學腐蝕過程。

大氣中影響金屬腐蝕的重要因素之一,首先, 是空氣的相對濕度,它關系到金屬表面是否形成水膜及其厚度。水膜的生成是隨著濕度和溫度而轉移的。當相對濕度低于臨界濕度或低于65%時,不論在何種溫度下,不能形成水膜,其時腐蝕速度很小,幾乎不會腐蝕;當相對濕度高于臨界濕度時,水膜形成,腐蝕速度突然增加,即使溫度增加很慢,腐蝕速度也會成倍增加。溫度每升高10℃,腐蝕速度提高約1倍。而周期性溫差或濕度變化,則對金屬的腐蝕更為嚴重。

其次,氧也是金屬在大氣中腐蝕的主要因素。氧易溶解并滲透于水膜中。金屬表面的水滴底部,由于空氣滲透和擴散不均,使水滴中心區的氧濃度低,形成陽極,邊緣區的氧濃度高,形成陰極,通過水滴中心區的陽極反應使鐵金屬放出電子,電子通過金屬流到水滴邊緣,與陰極反應化合成氫氧化亞鐵,沉積于陰陽兩極之間的金屬表面。鐵與水接觸直接反應生成氫氧化亞鐵,而氫氧化亞鐵于水滴中繼續溶解擴散氧反應生成氫氧化鐵。鐵銹就是【mFe(OH)2、 nFe(OH )3、 pH2O】的混合物。

再次,除水和氧外,大氣中還有各種污染氣體。例如鹽霧、二氧化硫、硫化氫、氨氣等。都能使金屬在大氣中加快腐蝕速度。大氣中的塵埃微粒具有毛細管凝聚作用。當金屬表面有灰塵存在時,很快成為水珠凝聚的核心,它們在大氣中含量雖然較少,但溶于水中的濃度卻相當高,對金屬腐蝕的影響很大。

銹蝕與防銹

表面生銹會使金屬制品和機械設備的性能及應用受到極大損害。統計表明全世界每年因腐蝕損失的金屬占金屬總產量的10%以上。它不僅影響金屬材料本身的外形、色澤及機械性能等,而且還使各種金屬構件的質量、精度、靈敏度受損,直接影響使用價值。既然金屬生銹有如此弊端,為了有效防止金屬制件和設備的腐蝕,使金屬與周圍環境隔離應是有效的辦法。其中之一是永久性防護如:改變金屬內部結構(煉鋼時添加其他元素,使其成為不銹鋼);在金屬表面采取氧化、磷化等化學方法轉化覆蓋層;用氮化、滲金屬等方法使金屬表面合金\化;也有用電鍍、噴涂、化學鍍等方法改變覆蓋層;或用搪瓷,、陶瓷、橡膠、涂料等非金屬材料涂覆。但是金屬原材料在機械加工的過程中,大量的金屬表面不允許給于永久性防腐。例如:機床導軌面、刃具、量具、軸承、加工后金屬的斷面等金屬表面都需要保持原來的表面,這就需要進行暫時性防腐,也就是暫時性防銹。潤滑油分類中就有暫時保護防腐蝕一項。這里的“暫時”是指產品經過一定時間防銹后防銹材料能被去除,而并不是指這類產品的防銹期。

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暫時性防銹材料(防銹油、脂)

防銹油脂是在石油類基礎油中加入油溶性緩蝕劑、成膜材料及其他輔助添加劑等調配而成。防銹油脂的作用如下:

(1)吸附作用

根據吸附理論,防銹油脂能起到防銹作用主要是因它在金屬表面的吸附使金屬離子化傾向減少,從而減少了金屬表面原子的反應能,使金屬表面趨于穩定狀態。防銹油脂中的防銹劑是具有極性的有機化合物,也是表面活性劑,是由不對稱的極性和非極性基團兩部分組成。當防銹油脂涂于金屬表面時,防銹劑的極性部分諸如:-OH、-COOH、-SO3、-NH2等在油-金屬界面形成定向吸附,其吸附強度取決于極性基的強弱。防銹劑的非極性部分即烴基則在金屬表面形成一層疏水性保護膜,阻礙參與腐蝕反應的電荷或物質的移動,使腐蝕速度減緩。其余的防銹劑分子,其非極性基朝外排列于油中,極性基則朝里排列聚集在一起,形成膠束存在于油中。這種膠束能溶化吸附水和不溶性不純物。對難溶的防銹劑有助溶作用。防銹劑分子在油-氣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蝕物質的穿透。

(2)阻止腐蝕介質對金屬的侵蝕

一般礦物油本身與金屬的吸附力不強,形成的油膜不堅固,容易吸收并溶解部分水和氧氣,不能阻止介質對金屬的侵蝕。當加入防銹劑后,由于油中容存的防銹劑膠束對水起到增溶作用,使進入油中的水封閉在膠束中,減緩了油層的透水率。起到抑制銹蝕作用。

(3)對水膜有置換性

防銹油中的有些防銹劑對水膜具有置換性,可以將金屬表面吸附的水膜置換掉,從而減緩金屬腐蝕速度。水也是極性物質,這種防銹劑的極性比水分子的極性更強,與金屬的親和力更大,因而具有置換水的能力。

(4)對極性物質的中和置換和增溶作用

有的防銹油脂對極性物質有中和置換和增溶作用。它們在金屬表面吸附得非常致密,使腐蝕介質難以滲透到金屬表面,還由于防銹劑在臨界膠束濃度以上時,其之吸附和捕捉作用,可將腐蝕介質封存在膠束中,而起到防銹作用。

(5)基礎油的載體作用

基礎油在防銹油中能起到載體作用,使防銹劑在油中充分分散;使基礎油的分子深入到定向吸附的防銹劑分子之間,在吸附少的地方進行物理吸附,與防銹劑分子共同填補空隙,使吸附膜更為緊密,而有效保護金屬。

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