腐蚀与防护 第五章

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第第55章章材料的防护材料的防护((materialprotectionmaterialprotection))5.1金属的缓蚀5.2电化学保护5.3表面涂层保护材料防护是材料与环境发生界面反应而引起的破坏。防护技术正确选用耐蚀材料合理的结构设计腐蚀环境的改善电化学保护表面防蚀处理防止材料腐蚀可以从材料本身、环境和界面三方面考虑。5.1金属的缓蚀(inhibitionofmetalliccorrosion)使用缓蚀剂进行金属防护的特点:(1)不改变金属构件的性质和生产工艺;(2)用量少(质量分数在0.1%~1%之间);(3)方法简单,无需特殊的附加设备。缓蚀剂(腐蚀抑制剂、阻抑剂)是一种当它以适当的浓度和形式存在于环境(介质)时,可以防止或减缓腐蚀的化学物质或复合物质。5.1.1缓蚀剂(CorrosionInhibitor)缓蚀剂的作用:增加金属表面上钝化膜的稳定性和有利于受损钝化膜的再钝化。%10000×−=vvvZ缓蚀效率(简称缓蚀率)Z:(v0—未加缓蚀剂时金属的腐蚀速度;v—加缓蚀剂时金属的腐蚀速度)。5.1.2缓蚀剂的分类5.1.2.1按缓蚀剂的作用机理分类阳极型缓蚀剂(anodeinhibitor)阴极型缓蚀剂(cathodeinhibitor)混合型缓蚀剂(mixedinhibitor)—危险的缓蚀剂(1)阳极型缓蚀剂Icεε−2I1Iaε加入缓蚀剂未加缓蚀剂阳极型缓蚀剂大部分是氧化剂,如过氧化氢、重铬酸盐、亚硝酸盐等。—安全型缓蚀剂(2)阴极型缓蚀剂Icεε−2I1Iaε加入缓蚀剂未加缓蚀剂在酸性溶液中添加的As、Sb、Hg盐类均属阴极型缓蚀剂(3)混合型缓蚀剂Icεε−2I1Iaε加入缓蚀剂未加缓蚀剂含N、S及既含N又含S的有机物则属混合型缓蚀剂,如胺类、硫醇、硫脲等。5.1.2.2按缓蚀剂的性质分类氧化型缓蚀剂(oxidationinhibitor)沉淀型缓蚀剂(precipitatedinhibitor)吸附型缓蚀剂(absorptioninhibitor)5.1.2.3按化学成分分类{无机缓蚀剂(inorganicinhibitor)有机缓蚀剂(organicinhibitor)}覆盖膜型缓蚀剂→形成钝化膜→发生吸附5.1.2.4按使用时相态分类气相缓蚀剂(gasinhibitor)液相缓蚀剂(liquidinhibitor)固相缓蚀剂(solidinhibitor)5.1.2.5按用途分类冷却水缓蚀剂(coolingwaterinhibitor)锅炉缓蚀剂(boilerinhibitor)石油化工缓蚀剂(petrochemicalinhibitor)油(气)井缓蚀剂(oil(gas)wellinhibitor)5.2电化学保护(electrochemicalprotection)电化学保护是指通过施加外加电动势将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区,以降低腐蚀速度的方法。{阴极保护(cathodicprotection)阳极保护(anodicprotection)5.2.1阴极保护(cathodicprotection)阴极保护是指在要保护的金属构件上外加阳极,而使金属构件成为阴极,进行阴极极化而受到保护的方法。牺牲阳极法(sacrificialanodeprotection)外加电流阴极保护法(impressedcurrentcathodicprotection)5.2.1.1牺牲阳极法(sacrificialanodeprotection)牺牲阳极法是指在被保护金属构件上连接一个电位更负的金属作阳极,而被保护金属成为阴极不被腐蚀的方法。接线盒保护器管道阴极电流牺牲阳极法示意图保护器应用:90%以上采油平台和所有海底输油管线的防腐都采用这种方法。牺牲阳极法的缺点:用作保护器的阳极消耗较多。优点:不需要外加电源,不会干扰邻近金属设施,施工方便等。5.2.1.2外加电流阴极保护法(impressedcurrentcathodicprotection)(最经济、最有效)应用:闸门、地下金属结构、受海水及淡水腐蚀的设备、化工厂一些装酸性溶液的容器及管道等的防护。辅助阳极管道阴极电流外加电流阴极保护法示意图-+系统牢固可靠,不易受干扰在恶劣环境中,系统易受干扰不需要外加电源需要外加电源阳极数量多,增加系统重量阳极数量少,系统重量轻牺牲阳极法外加电流阴极保护法外加电流阴极保护法与牺牲阳极法的比较5.2.1.3阴极保护原理最小保护电位最小保护电流密度伊文思腐蚀极化图exciNaεcorrεcεεpicorriaiciDB1cεcorriCABCD钝化(Fe2O3)钝化(Fe3O4)Fe稳定εDεCεAεB01-12-20246810121416pHε/VFe2+Fe3+−24FeO−2HFeOFe-H2O体系的电位-pH图-0.4730.7715.2.2阳极保护(anodicprotection)被保护金属电源阴极阳极保护示意图应用:特别适用于强氧化性介质中易钝化金属的防护。ε维钝i钝化稳定区过钝化区活化区i致钝i维钝ε致钝ε过钝化活化-钝化过渡区BACDE可钝化金属的阳极极化曲线阳极保护原理ABCD钝化(Fe2O3)钝化(Fe3O4)Fe稳定εDεCεAεB01-12-20246810121416pHε/VFe2+Fe3+−24FeO−2HFeOFe-H2O体系的电位-pH图-0.4730.771弱~适中腐蚀介质中采用弱~强腐蚀介质中均可采用所有金属材料易钝化的金属阴极保护法阳极保护法阳极保护法与阴极保护法比较5.3表面涂层保护(surfacecoatingprotection)金属涂层非金属涂层电镀化学镀热镀表面合金化热喷涂{有机涂层无机涂层5.3.1金属涂层(metalliccoating)金属涂层的用途:①防腐蚀(如钢铁制品或零件表面的镀锌、镀镉等);②防护装饰(如表壳、表链镀氮化钛和金);③抗磨损(如发动机汽缸、活塞环和冲压模具内腔等镀硬铬);④提高制品的减摩性能(如轴瓦、轴套等镀铅锡合金等);⑤增强导电性能(如铜及其合金零件镀银、镀金等)。(1)电镀(electricplating)电解液阴极工件ER电镀装置示意图阳极阳极电镀的优点:①可沉积的金属及合金品种多;②镀层厚度可控,镀层均匀、致密;③一般无需加热或加热温度不高;④镀液简单易于控制,工艺成熟;⑤价格低廉。电镀的缺点:①一般只适于较小部件;②镀层与基体结合力不好;③只能对导电材料进行电镀。{水电镀真空电镀是将需电镀的产品放入化学电镀液中进行电镀。因其工艺较简单,从设备到环境得要求均没有真空电镀苛刻,从而被广泛应用。但只能镀ABS料和ABS+PC料(其效果也不是很理想)。是在真空状态下将需要涂覆在产品表面的膜层材料通过等离子体离化后沉积在工件表面的表面处理技术。一般适用范围较广,如ABS料、ABS+PC料、PC料。相对于传统的水电镀,真空电镀具有以下优点:①沉积材料广泛:可沉积铝、钛、锆等水电镀无法沉积的低电位金属;②节约金属材料:由于真空涂层的附着力、致密度、硬度、耐腐蚀性能等相当优良,沉积的镀层厚度可以远远小于水电镀镀层,达到节约的目的;③无环境污染:由于所有镀层材料都是在真空环境下沉积在工件表面,没有溶液污染,所以对环境的危害相当小,能实现清洁生产。由于获得真空和等离子体的仪器设备精密昂贵,而且沉积工艺还掌握在少数技术人员手中,没有大量被推广,其投资和日常生产维护费用昂贵。但是随着社会的不断进步,真空电镀的优势会越来越明显,将逐渐取代传统的水电镀!化学镀是指不使用外加电源,而采用化学方法使金属离子在被保护金属上沉积,形成金属镀层的方法。(2)化学镀(chemical/electrolessplating){置换化学镀氧化-还原化学镀+++→+22FeCuCuFe铁上镀铜:+−−+++→++HPOHNiOHPOHNi2322222镀镍:→镀层薄;镀层与基体结合力不好。→应用较多。①化学镀不需要电源和辅助电极;与电镀相比,化学镀有许多优点:镀液稳定性差,使用寿命较短,镀种较少且成本较高。化学镀的缺点:②化学镀层与基体的结合力一般均优于电镀;③化学镀特别适合于形状复杂及不规则工件表面的施镀;④化学镀可以在非金属表面上进行(化学镀是非金属表面金属化的常用方法)。化学镀试验装置图鳞片石墨基复合导电填料的背散射电子像热镀(热浸镀)是指把工件浸入熔融金属中,以获得金属涂层的工艺。(3)热镀(hot-dip)优点:工艺简单、成本低、适于大批量生产。缺点:镀层较厚且不均匀,金属消耗量较大,只适用于获得低熔点金属涂层(如Zn、Sn、Al等)。热浸锌是将除锈后的钢构件浸入600℃左右高温融化的锌液中,使钢构件表面附着锌层,从而起到防腐蚀的目的。优点:耐久年限长,生产工业化程度高,质量稳定。应用:被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中。(如大量输电塔、通讯塔等。)注意:由于热浸锌是在高温下进行的,所以对于管形构件应该让其两端开敞。(若两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂,从而造成安全事故;若一端封闭则锌液流通不畅,易在管内积存。)表面合金化(扩散镀、渗镀)是指利用热扩散的方法,将其它金属或非金属渗入被保护金属内部形成表面合金层的工艺。(4)表面合金化(surfacealloying)①渗镀层与基体结合牢固,不易脱落(最突出的特点);渗镀层的特点:②渗镀层均匀,消耗金属材料较少;③需要高温加热,可能引发各种缺陷。渗铝是金属材料表面化学热处理的一种方法,是把钢或介质加热到一定温度使铝原子渗入并扩散到钢材基体内的过程。渗铝可在碳钢、低合金钢及高铬镍合金钢基体上进行。优点:在其表面形成的铁铝合金层可以提高材料的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。缺点:渗铝层的塑性低、容易剥落;使用温度不能太高(900℃)。限制使用条件:①有盐酸介质腐蚀的工况;②有露点腐蚀的气体介质工况;③pH值超过12的碱性介质腐蚀的工况。(5)热喷涂(hotspraying)热喷涂是指将喷涂材料在喷枪里熔化或软化,然后以粒状形式高速射向工件,形成涂层的工艺。火焰喷涂(flamespraying)爆炸喷涂(explosivespraying)电弧喷涂(electricarcspraying)等离子喷涂(plasmaspraying)激光喷涂(laserspraying)①火焰喷涂(flamespraying)火焰喷涂是利用氧和可燃性气体的燃烧火焰,把焊丝、焊棒或粉末状的喷涂材料加热,使其在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面而形成涂层。设备简单,工艺成熟,操作灵活,投资少,见效快。火焰喷涂的特点:线材或棒材气体火焰喷涂示意图粉末气体火焰喷涂示意图②爆炸喷涂(explosivespraying)爆炸喷涂是利用氧和可燃性气体的混合气体,经点火后在喷枪中形成爆炸高温,加热喷涂材料,并利用爆炸波产生的高压,把喷涂材料高速地喷向基体表面而形成涂层。涂层非常致密,气孔率很低,与基体结合性强,表面平整。但其设备价格高、噪音大。爆炸喷涂的特点:爆炸喷涂示意图③电弧喷涂(electricarcspraying)电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧,电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化,熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层.喷涂效率高;质量易保证;其涂层结合强度高于一般火焰喷涂;能源利用率高;设备投资低。电弧喷涂的特点:电弧喷涂示意图④等离子喷涂(plasmaspraying)等离子喷涂是采用等离子喷枪产生的等离子喷流,将金属陶瓷粉末加热和加速,在熔融或接近熔融的状态下喷向母体材料的表面而形成涂层的工艺。涂层特性好,与基体结合力强,对环境的适应能力强。等离子喷涂是热喷涂工艺中最万能的工艺。但其效率较低,费用高,且工作时有噪音和各种射线污染。等离子喷涂的特点:等离子喷涂与火焰或电弧喷涂的区别等离子喷涂示意图⑤激光喷涂(laserspraying)激光喷涂是把喷涂材料用激光束加热熔融,再用喷出的高压气体使熔融部分粒子化,并喷向基体表面而形成涂层。涂层结构与原始粉末相同;可以喷涂大多数材料;涂
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