第三章--船机零件的腐蚀

第三章船机零件的腐蚀（Corrosion）教学目标：【知识目标】：了解化学腐蚀、电化学腐蚀和穴蚀的基本过程以及船机中出现的化学腐蚀、电化学腐蚀和穴蚀现象。【能力目标】：能正确掌握船机部件防止腐蚀的具体措施。教学重点：腐蚀的概念；电化学腐蚀•☆☆☆☆☆考点1：腐蚀概述（考试大纲3.1.1）☆☆☆☆☆考点2：金属腐蚀的分类（考试大纲3.1.1）☆☆考点3：金属腐蚀的速度（考试大纲3.1.1）☆☆☆☆☆考点4：化学腐蚀（考试大纲3.1.1）☆☆☆☆☆考点5：柴油机零件的化学腐蚀（考试大纲3.1.2）☆☆☆☆考点6：低温腐蚀（考试大纲3.1.2）☆☆☆☆考点7：防止化学腐蚀的一般措施（考试大纲3.1.3）☆☆☆考点8：柴油机防止化学腐蚀的措施（考试大纲3.1.3）☆☆☆考点1：电化学腐蚀定义（考试大纲3.2.1）☆☆☆☆☆考点2：电化学腐蚀原理（考试大纲3.2.1）☆☆考点3：宏观腐蚀电池（考试大纲3.2.1）☆☆考点4：异金属接触电池（考试大纲3.2.1）☆☆☆☆☆考点5：浓差电池（考试大纲3.2.1）☆☆☆☆☆考点6：微观电池（考试大纲3.2.1）☆☆☆☆☆考点7：船上常见的电化学腐蚀（考试大纲3.2.2）☆☆☆☆☆考点8：防止电化学腐蚀的措施（考试大纲3.2.3）•☆☆☆☆考点1：穴蚀的定义及其特征（考试大纲3.3.1）☆☆☆☆☆考点2：柴油机气缸套的穴蚀部位（考试大纲3.3.2）☆☆考点3：一般穴蚀机理（考试大纲3.3.1）☆☆考点4：气缸套穴蚀机理（考试大纲3.3.2）☆☆☆☆考点5：影响缸套穴蚀的因素（考试大纲3.3.2）☆☆☆☆考点6：防止缸套穴蚀的措施（考试大纲3.3.2）☆☆☆☆☆考点7：燃油系统零件的穴蚀（考试大纲3.3.3）☆☆☆☆☆考点8：轴瓦和螺旋桨的穴蚀（考试大纲3.3.4）金属的腐蚀（Corrosion）一、腐蚀的概念•1、定义：金属与周围介质发生化学作用、电化学作用或物理溶解而产生的破坏和变质的现象。•2、危害（后果）：•破坏：形状、尺寸、表面质量变化；•变质：晶体结构、性能（理化、性能）的变化。•3、特点：•（1）外部介质（气、液、固）的作用。•（2）发生在金属与介质的界面上，即从零件的表面开始，然后向零件的内部扩展或同时向四周发展。•（3）腐蚀有一个过程，是渐进性的。•4、实例：腐蚀是船机零件的故障模式之一。•（1）船体钢板、甲板机械、冷却水管路氧化导致的腐蚀；•（2）燃烧室组件的化学腐蚀（低温腐蚀、高温腐蚀）；•（3）海水冷却的水腔的电化学腐蚀；•（4）气缸套外圆表面（冷却水腔侧）、螺旋桨浆叶的穴蚀。•腐蚀是现代工业中极为有害的破坏因素。•全世界每年因腐蚀浪费的钢铁约占当年钢铁产量的10%。•轮机员学习金属腐蚀有关知识的目的在于增强防止腐蚀的观念，加强日常的维护保养工作，减少和防止腐蚀，保证船舶机器的正常运转和延长其使用寿命。二、金属腐蚀的过程•1、金属腐蚀的过程：•使金属恢复自然状态，金属释放出能量回到热力学更稳定的自然存在形式（化合物状态），即金属从金属状态自发的变成离子状态，生成氧化物、硫化物等。•2、特点：•（1）金属金属化合物是自由能降低的过程，也是金属释放出能量使自身稳定的自发过程，也是冶炼过程的逆过程。•（2）与其它故障模式的区别：磨损、疲劳裂纹、断裂等均要消耗有用功；而腐蚀不同，金属释放的能量就是腐蚀的动力，不需要外界输入能量。•（3）有的金属在适当的条件下可发生钝化，生成致密的保护膜。•3、腐蚀倾向的热力学判断：•（1）腐蚀过程不仅仅取决于腐蚀反应中自由能的变化量ΔG，还应考虑腐蚀介质的性质、腐蚀产物在该介质中的稳定性。•（2）△G（ΔG＜0）只能了解腐蚀的倾向，不能判断腐蚀的速度。•金属表面聚集较多的电子，因而呈负电并吸引溶液中的正离子靠近金属表面，形成双电层，在界面上产生电位差。•4、金属的电极电位：•（1）概念：金属和溶液界面的电位差。•（2）特点：①电极电位越负，表示金属容易离子化，即不耐腐蚀；②电极电位越正，金属越耐腐蚀。三、金属腐蚀的分类•1．按腐蚀过程的特点分类•（1）化学腐蚀：无电流产生；•（2）电化学腐蚀：有电流产生。•2．按腐蚀表面的特征（破坏形式）分类•（1）全面腐蚀：整个表面发生，又分为均匀的全面腐蚀（少见）与不均匀的全面腐蚀（多见，如：钢板生锈）两种。•（2）局部腐蚀（多见）：集中在某一区域，造成应力集中，导致突然断裂，危害更大。例如：排气阀阀面上的腐蚀麻点或凹坑。•1．重量指标表示法：把金属零件因腐蚀造成的重量变化换算成相当于金属零件单位表面积在单位时间的质量变化值。增加：V＋；减少：V－。•2．深度指标表示法：把金属零件因腐蚀造成的厚度减少量以线量单位表示，并换算成相当于单位时间的值。适用于衡量密度不同（不均）的金属零件。测量时必须清除腐蚀产物。VL•3．电阻性能指标表示法：用零件腐蚀前后的电阻变化率表示腐蚀速度。适用于薄和细的金属零件。测量时不需要清除腐蚀产物，且必须保留腐蚀产物。VR四、腐蚀速度的表示方法1.重量指标•1）失重指标•V－＝W0－W1/S·tg/（m2·h）•2）增重指标•V+＝W2－W0/S·tg/（m2·h）式中：V－、V+—分别为失重和增重腐蚀速度•W0—零件腐蚀前重量，g•W1—清除腐蚀产物后的零件重量，g•W2—带有腐蚀产物的零件重量，g•S—腐蚀面积，m2•t—腐蚀时间，h•利用失重重量指标进行换算：•VL＝V－×24×365×10/（1002×ρ）•＝8.75V－/ρmm/a•式中：VL—深度腐蚀速度，mm/a•ρ—金属的密度，g/cm32.深度指标•VR＝R1－R0/R0×100%•式中：•R0——腐蚀前电阻•R1——腐蚀后电阻3.电阻性能指标第一节化学腐蚀（ChemicalCorrosion）一、化学腐蚀•1.定义：金属表面与周围介质（非电解质）直接发生纯化学反应而引起的破坏和变质。•2.特点：•腐蚀过程不产生电流。•氧化膜对腐蚀的程度有很大影响。•实际生产中纯化学腐蚀的现象较少。•3．分类：分为气体腐蚀和有机介质腐蚀。•1）气体腐蚀•①概念：金属在干燥气体或高温气体中的腐蚀。•②特点：金属能否继续被氧化取决于氧化物薄膜的结构以及与基体的结合强度。•碳钢零件在560℃以下被氧化生成Fe2O3和Fe3O4，其结构致密，与基体结合牢固，可阻止氧原子的扩散，保护金属不再被氧化。•碳钢零件在560℃以上被氧化生成FeO，其结构疏松，与基体结合不牢固，氧原子容易穿过使金属继续氧化，膜的厚度增加，当达到一定厚度时脱落。•2）有机介质腐蚀（非电解质中的腐蚀）•①概念：金属在有机介质（不导电的非电解质）中的腐蚀。•②实例：铝在四氯化碳、三氯甲烷或乙醇中；镁或钛在甲醇中；金属钠在氯化氢气体中等的腐蚀。二、柴油机零件的化学腐蚀1．高温腐蚀（钒腐蚀）2．低温腐蚀（硫酸腐蚀）1．高温腐蚀（钒腐蚀）•定义：燃烧室组件（气缸盖及其阀件、气缸套和活塞）与燃气中的低熔点灰分在高温下发生化学作用而产生的破坏。•机理：燃用重油时，重油中含有V、Na、S的化合物，以及燃烧后生成的化合物（V2O4、V2O5、Na2SO4）具有较低的熔点（500～800℃）附着在零件（排气阀、阀座、活塞顶部），将零件表面的氧化膜溶解而形成腐蚀麻点或凹坑。•燃用重油时发生高温腐蚀的必备条件：•（1）零件温度在550℃以上。（使钒、钠化合物熔化附着在零件表面）•（2）灰分影响软化温度，进而影响腐蚀速度。①当V2O5/Na2O≈3.3:1时，软化温度由600℃降至400℃，熔点降至370℃（最低），灰分易熔化，腐蚀速度剧增；②V2O5/Na2O≈1时，软化温度高于零件温度,腐蚀速度最小（几乎不发生腐蚀）。如果混入燃油体积1%的海水，燃油中的钠含量可能会增加100ppm左右。2．低温腐蚀（硫酸腐蚀）•定义：燃油中的硫分在高温高压的燃气下燃烧生成SO2、SO3，当工件（气缸壁、废气涡轮增压器壳体等）温度低于硫酸的露点（170℃）时，SO2、SO3遇水蒸气会在工件的表面生成亚硫酸或硫酸，从而造成零件的腐蚀。•当工件（气缸壁、废气涡轮增压器壳体等）温度低于硫酸气体的露点温度以下20～30℃时，低温腐蚀最为严重。•硫酸的露点在170℃左右，但硫酸气体在柴油机燃烧过程中，其露点的临界温度与硫含量和压力有关。三、防止化学腐蚀的措施•1．在零件的表面覆盖保护膜（最主要）：电镀（镀锡、镀锌）、发蓝处理、喷油漆等。•2．环境控制：控制燃油的成分（S％、V%、Na%）、控制冷却温度（保证550℃以下）、加入缓蚀剂。•3．选材•如对排气阀选用高铬的钢（4Cr14Ni14W2Mo）,生成致密的氧化膜，起动钝化作用。一般说来：在还原性介质中，选用含Ni、Cu及其合金；在氧化性介质中，选用含Cr的合金；在极强的氧化性介质中，选用含Ti的合金；非金属材料有良好的耐蚀性。•4．合理的结构设计：如缸壁厚度要留有余量。第二节电化学腐蚀（ElectrochemicalCorrosion）一、概述•1．定义：金属表面与离子导电的电解质发生电化学作用而产生的破坏和变质。•2、特点：•①有电流产生。•②是最常见的腐蚀形式。•③在大气、海水、土壤、酸、碱、盐中均能发生电化学腐蚀。•1．电化学腐蚀是船机零件的一种主要故障模式。•2、电化学腐蚀按腐蚀表面的特征（破坏形式）也可分为全面腐蚀、局部腐蚀。•3、实例：碳钢在强酸、强碱中的腐蚀是全面腐蚀（均匀）。阳极反应：Fe→Fe2+＋2(-)失去电子，即氧化过程，电位低，被腐蚀。阴极反应：2H+＋2(-)→H2↑得到电子，即还原过程，电位高，受到保护。二、电化学腐蚀的原理•（1）电化学腐蚀的过程至少包含一个阳极反应和一个阴极反应。•（2）阳极反应：Fe失去电子，放电，即氧化过程，电位低，被腐蚀；•（3）阴极反应：H+得到电子，即还原过程，电位高，受到保护。•（4）条件：有阴阳两极；电解质溶液；两极在同一溶液中。三、腐蚀电池（原电池）的种类1.宏观腐蚀电池：2.微观腐蚀电池1.宏观电池•（1）概念：肉眼可见电极构成的腐蚀电池。•（2）特点：①电极可见；②大电池；③引起局部宏观腐蚀。•（3）分类：异种金属接触电池、浓差电池•A．异种金属接触电池（电偶腐蚀）•（1）概念：具有不同电位的异种金属或合金相互接触（或用导线连接）在同一电解质溶液中组成的腐蚀。•（2）特点：①所属的类型：宏观腐蚀电池、局部腐蚀。②两种金属的电极电位差越大，电偶腐蚀越严重。•（3）实例：①船体钢板与铜质桨叶；②碳钢尾轴与铜质桨叶；③冷凝器中的碳钢壳体与黄铜管；④离心泵的轴与叶轮。•B．浓差电池•（1）概念：同一金属的不同部位与浓度（含氧量、含酸量、含盐量）或温度不同的介质接触构成的腐蚀电池。•（2）类型：氧浓差电池；酸浓差电池；盐浓差电池；温差电池。•（3）实例：①埋在土里的铁棒；②半浸水的钢板；③铁棒分别插入稀、浓硫酸铜溶液中；④铁棒分别插入稀、浓硫酸溶液中；⑤换热器、锅炉、蒸发器。•（4）分析：埋在土里的钢棒，空气中的O2%高，电极电位高为阴极；土内O2%低，电极电位低为阳极，氧化反应腐蚀严重。•（5）小结：浓度低的一端（高温端）电极电位低，为阳极，腐蚀严重。★★气缸套外表面发生的浓差腐蚀是氧浓差腐蚀。★★气缸套下部发生的硫酸腐蚀是石墨化腐蚀（主要）（金相组织不均导致的微观腐蚀）（2）微观腐蚀电池（微电池）•（1）概念：金属表面由于微观电化学不均匀性构成无数对微小电极的电池。•（2）特点：存在许多对微小的电极。•①化学成分不均（杂质、偏析）•②金相组织不均（不同的金相组织，不同的相，具有不同的电极电位，如晶粒内部与晶界）。•实例：①气缸套下部的硫酸腐蚀；②在铸铁中，碳素体为阴极，铁素体为阳极被腐蚀(石墨化腐蚀)。•③物理性质或状态不均（受力状态不均，局部碰伤。应力集中/变形严重处电位低为阳极）。•④表面膜破坏•实例：破裂处和有孔处电位较低，甲板机械（起货机）的生锈。四、极化作用•1．极化•①极化：电流通过时，腐蚀电池两极间电位差减少引起工作电流强度降低的现象。•②阳极极化：阳极电位向正的方向变