金属腐蚀与控制讲稿.ppt
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1、金属腐蚀与控制,目 录 前 言 第一章:金属腐蚀的概念 第二章: 腐蚀原理 第三章: 腐蚀的防止 第四章 :设计与腐蚀控制的关系 第五章 :储罐、容器的防腐蚀 第六章 :常见涂层缺陷,前 言,“防腐”、 “防蚀”、 “防腐蚀” “防食” 日本,假如没有腐蚀,我们就不用给大罐、管道内外涂敷很厚的涂料,就不用消耗大量的电能和阳极材料,汽车、轮船简单做个装饰就够了,不锈钢工业就没有存在的必要了,铜、铝这些金属的价格就会变得很便宜。 世界就会更加色彩斑斓,环境会更加美好,生产上事故会减少。,前 言,腐蚀无处不在,地上地下,水上水下,家庭内外,凡是人类所涉及到的区域、场所、空间腐蚀都在发生,而且没有任何
2、地方开始有腐蚀,后来自己停止。 腐蚀带来的是什么?是灾难,是环境灾难,是经济损失,是人身伤亡。,前 言,理论上:腐蚀可避免,实际做不到; 腐蚀可控,但往往控制不好, 防止腐蚀需要付出经济代价,往往是付出了经济代价腐蚀也没有明显减缓,其结果是还付出了其他代价。原因:有技术因素,人的因素更为重要。,前 言,前 言,提到腐蚀包括两大内容:一个是腐蚀,一个是防腐蚀。 两个内容既有交叉,又有很大区别。它们的共同目标控制腐蚀。 腐蚀研究的是腐蚀的动力哪里来?腐蚀的原因何在?为何同样条件有的材料就腐蚀,有的材料就不腐蚀?即发生腐蚀的内因和外因。,前 言,防腐蚀研究是针对一个具体项目研究采取什么措施降低腐蚀程
3、度。 研究防腐蚀的人还有一个很重要的工作就是搞清楚采取的措施效果如何,投入多少? 腐蚀研究是基础,是科学,防腐蚀研究是目的,是技术,二者相互联系,相辅相成,缺一不可。,到底是研究腐蚀重要还是研究防腐蚀重要?同样重要,研究的侧重点不同。在国外,统称为腐蚀工程师。 专业腐蚀工程师要了解冶金、材料、化学、机械、电甚至机械设计这些方面的知识。因为腐蚀和防腐蚀涉及到了很多学科。 腐蚀在国外有时会叫做腐蚀工程。,前 言,第一章:金属腐蚀的概念 1、腐蚀的基本概念 腐蚀的定义: 1)由于材料与环境反应而引起的材料的破坏或变质。 2)除了单纯机械破坏以外材料的一切破坏。 3)冶金的逆过程。 定义3)的解释:冶
4、金过程是从矿石中提取金属以及将金属精炼或合金化以供使用。多数铁矿石含有铁的氧化物,钢被水和氧腐蚀就生成氧化铁,即铁矿石的主要成分。,冶炼(还原过程) 轧制 铁矿石(氧化铁)铁钢管(板材) 介质作用(氧化过程) 钢管(铁)氧化铁(铁矿石主要成分),第一章:金属腐蚀的概念,2、腐蚀的环境 腐蚀无处不在 空气和潮气,淡水、海水、蒸馏水和矿坑水,农村、城市和工业大气, 水蒸汽和其他气体如氯、氨、硫化氢、二氧化硫和燃料气体, 酸、碱(盐酸、硫酸、硝酸、环烷酸、醋酸),土壤,以及食品。,第一章:金属腐蚀的概念,无机物的腐蚀比有机物要强。 石油工业的腐蚀是来自于氯化钠、硫、盐酸、硫酸和水,而不是来自油本身。
5、 高温、高压通常会造成更加苛刻的腐蚀条件。 人体也有腐蚀性,腐蚀对于医用金属也很重要,如关节、螺丝、骨板和心脏瓣膜。 如果不是采用了耐蚀材料,今天的很多生产工艺就不能进行 。,第一章:金属腐蚀的概念,第一章:金属腐蚀的概念,3、腐蚀的基本动力 腐蚀的基本动力来自于金属本身,介质只是条件。冶金过程消耗了能量,也可以说金属本身储存了能量,释放和降低能量是金属的客观要求,只要外界条件(介质)合适,它就会由原子态变成化合态。所有的金属从热力学的观点来说都是不稳定的。,4、腐蚀的基本分类 腐蚀有很多种分类方法,典型的分法: 1)分为低温腐蚀和高温腐蚀; (温度) 2)分为电化学腐蚀和化学腐蚀;(行为)
6、3)分为湿腐蚀和干腐蚀。 (介质),第一章:金属腐蚀的概念,湿腐蚀:有液体存在时产生的腐蚀,通常包括水溶液或 电解质,绝大部分的腐蚀属于这一类。水对钢的腐蚀。 干腐蚀:环境中没有液相时产生的腐蚀,腐蚀剂通常是蒸气和气体。干腐蚀往往和高温联系在一起。炉气对钢的腐蚀就属于干腐蚀。,第一章:金属腐蚀的概念,化学腐蚀:不需要电解质,反应过程中没有电子 转移,反应过程不能用两个或两个以上的方程式表 示。比较少见。 电化学腐蚀:一定要有电解质,反应过程中有电子 转移,反应过程可以用两个或两个以上的方程式表 示,金属内部(体系)存在不均匀性。电化学腐蚀 比较普遍。,第一章:金属腐蚀的概念,第一章:金属腐蚀的
7、概念,低温腐蚀 高温腐蚀 电化学腐蚀 化学腐蚀 湿腐蚀 干腐蚀,第一章:金属腐蚀的概念,第一节 电化学概念 当锌放入稀盐酸时,会发生剧烈反应;产生氢气,锌 被溶解并产生氯化锌溶液。 Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 (2.1) 锌氧化成了锌离子,氢离子还原成了氢原子。 方程式(2.1) 可以简化为: Zn + 2H+ Zn+ + H2 (2.2),第二章 腐蚀原理,第二章 腐蚀原理,把 Zn + 2H+ Zn+ + H2 很方便的分为两个反应, 1)锌的氧化反应(阳极反应) Zn Zn+ + 2e (2.3) 2)氢离子的还原反应(阴极反应) 2H + 2e H2 (2.4),氧化或阳
8、极反应的标志是价数增高或产生电子。 还原或阴极反应的标志是价数降低或消耗电子。 Zn Zn+ + 2e 2H + 2e H2 两个反应必须同时产生,具有相同速度。 腐蚀最重要的基本原理之一:金属腐蚀时,氧化速度等于还原速度(用电子的产生和消耗表示)。,第二章 腐蚀原理,任何反应如能分为两个(或更多个)氧化和还原反应,就叫做电化学反应。 什么是金属的电化学腐蚀? 在电解质溶液中,由于介质中的某些物质在金属表面发生了还原反应(得电子反应),而使得金属在其表面上发生了氧化反应(失电子反应)。这个氧化反应就是金属的电化学腐蚀反应,整个过程就是金属的电化学腐蚀过程。,第二章 腐蚀原理,例如: 2Fe 2
9、Fe2+ + 4e (氧化反应) O2 + 2H2O + 4e 4OH- (还原反应),第二章 腐蚀原理,铁在中性水中的腐蚀过程,电化学腐蚀的主要特点: (1)金属的电化学腐蚀反应只是整个氧化还原反应中的一个反应;而另一个反应还原反应也间接影响腐蚀过程;两个反应可以同时同地、也可同时异地发生; (2)金属的电化学腐蚀只发生在与电解质溶液接触的金属界面上; (3)金属的电化学腐蚀不仅与金属材料和溶液介质有关,还与电荷的传输有关。,第二章 腐蚀原理,金属腐蚀常遇到的阴极反应: 析氢 (酸性) 2H + 2e H2 吸氧(中性或碱性) O2 + 2H2O + 4e 4OH- 金属离子还原 M3+ e
10、M2+ 金属沉积 M+ eM,第二章 腐蚀原理,第二章 腐蚀原理,吸氧过程示意图,第二章 腐蚀原理,析氢是常见的一种阴极反应,因为酸和酸性介质是常常会遇到。 氧还原也很普遍,因为任何水溶液与空气接触就能产生这种反应。 金属离子还原和金属沉积比较少见。 所有这些反应都有一个共同之处消耗电子。,第二章 腐蚀原理,发生腐蚀时,可能有一个以上的氧化反应和一个以上的还原反应。当一种合金腐蚀时,它的各组分金属以各自的离子进入溶液。更重要的是,当发生腐蚀时,可能产生一个以上的还原反应。 锌放到充气盐酸中,就可能发生两种阴极反应氢析出和氧还原。两个反应消耗电子,显然速度会加快,因为氧化和还原速度必须相等,所以
11、,还原速度加快时,氧化速度必然加快,即锌的溶解速度会加快。,第二章 腐蚀原理,工业盐酸中常见的一种杂质是三价铁离子,它以三氯化铁的形式存在。铁在这类不纯的酸中腐蚀快得多,因为存在两种阴极反应,即析氢和三价铁离子还原。 腐蚀过程中阳极反应和阴极反应是相互依存的,降低任何一种反应的速度都可能降低腐蚀速度 。,第二章 腐蚀原理,极化 电化学反应速度受各种物理因素和化学因素所限制。受到这些环境因素的限制,就认为电化学反应被极化了。 极化分为活化极化和浓差极化。,第二章 腐蚀原理,活化极化:电化学过程受金属电解质界面上的反应历程所控制; 锌在酸当中,锌表面上的氢还原要经过四个步骤: H +在锌表面吸附,
12、 H +得到电子还原为H, H +HH2 若干个H2结合成一个大气泡。 四步当中最慢的一步就决定着整个反应速度。,第二章 腐蚀原理,浓差极化:电化学反应受电解质中的扩散所控制。 以析氢为例:如果H +在溶液中数目很少,还原速度受氢扩散到界面的速度所控制,这种情况下,还原速度的控制过程发生在主体溶液内,而不是在金属表面上。,第二章 腐蚀原理,当腐蚀发生在含高浓度的活性物质的介质(如浓酸)中时,活化极化通常是控制因素; 当可还原的物质浓度小时(如稀酸、充气的盐溶液),一般以浓差极化为主。 大多数情况下金属溶解时的浓差极化通常不大,可以忽略;只有在还原反应中它才重要。,第二章 腐蚀原理,第二章 腐蚀
13、原理,钝化 在一定条件下,当金属的电位由于外加阳极电流或局部阳极电流而移向正方向时,原来活泼溶解的金属表面状态会发生突变,金属的溶解速度急速下降。这种表面状态的突变过程叫做钝化。 钝化的两个必要标志: 1)腐蚀速度大幅度下降; 2) 电位强烈正移。,第二章 腐蚀原理,钝态的特征: (1)腐蚀速度大幅度下降。 (2)电位强烈正移。 (3)钝化膜的稳定性。 (4)钝化只是金属表面性质的改变。,第二章 腐蚀原理,最容易产生惰性行为的金属包括铁,镍,硅,铬,钛和含这些金属的合金。 这类金属或合金的行为可划分为四个区:活化区、活化-钝化区、钝化区、过钝化区。,第二章 腐蚀原理,在活化区,这类金属的行为和
14、普通金属一样,溶液的氧化能力稍许增大一些,就会使腐蚀率相应地迅速增高。如果加入更多的氧化剂,腐蚀率显示突然下降,这相当于钝化区的开始。再增加氧化剂时,材料的腐蚀率变化很小。最后,当氧化剂的浓度非常高或是氧化性能特别强时,腐蚀率随氧化能力增大也在增高。这个区名为过钝化区。,第二章 腐蚀原理,从活化区过渡到钝化区时,腐蚀率下降非常明显。这种异常的活化钝化过钝化转变的确切原因还不完全清楚。这是活化极化的一种极特殊情况,由于生成了表面膜或保护隔离膜,它在一个很大的氧化能力的范围内是稳定的,最后在强氧化溶液内遭到破坏。 18Cr8Ni不锈钢和钛就具有明显的活化钝化特性,铅和钢在浓硫酸中耐蚀也是发生钝化的
15、结果。,第二节 腐蚀的几种形态 按照腐蚀本身所显示的形态一般分为八种,有些是独特的,有些是多少有些联系的。 这八种形态是: (1)均匀腐蚀或全面腐蚀 (2)电偶腐蚀或双金属腐蚀 (3)缝隙腐蚀 (4)孔蚀 (5)晶间腐蚀 (6)选择性腐蚀 (7)磨损腐蚀 (8)应力腐蚀。,第二章 腐蚀原理,这八种形态实际上包括了所有的腐蚀破坏和问题,但这些形态不是按照重要性次序排列的。 腐蚀可概括分为均匀腐蚀和局部腐蚀。 均匀腐蚀可以掌握,危害性不大;局部腐蚀具有更大的危害性,更加隐蔽,更具突发性,是防腐蚀工作的重点。,第二章 腐蚀原理,1、均匀腐蚀 化学或电化学反应在全部暴露的表面或大部分面积上均匀地进行是
16、均匀腐蚀的一般特征。 均匀腐蚀是最常见的腐蚀形态,其结果是金属变薄,最后破坏。如:钢放在稀硫酸中,铁皮放在大气中。 从失重的角度看均匀腐蚀代表金属的最大破坏,从技术角度,这种形态不重要,不可怕。利用简单试验就可掌握它的规律。,第二章 腐蚀原理,第二章 腐蚀原理,2、电偶腐蚀或双金属腐蚀 如果将两金属接触或用导线连接,电位差会使电子在两金属之间流动。与原来不接触时相比,耐蚀性差的金属接触后腐蚀会增加,耐蚀性好的金属腐蚀则下降。一个腐蚀变快,一个腐蚀变慢,变慢的甚至会停止腐蚀。这类腐蚀因为涉及到了电流和不同金属,所以称为电偶或双金属腐蚀,它是电化学腐蚀。原因是两金属之间会存在电位差。,第二章 腐蚀
17、原理,两种不同金属接触,第二章 腐蚀原理,第一节 矿物棉特性及其制品,第二章 腐蚀原理,第二章 腐蚀原理,电流和腐蚀的推动力是两金属间产生的电位差。腐蚀加快的金属称为阳极,腐蚀减慢或停止的金属称为阴极。 特别指出,某一种金属在与A金属接触时是阴极,但在与B金属接触时可能就变成了阳极。这取决于两金属在标准电动序中的位置。,在电动序中越接近,连接后产生的电位差越小,隔得越远,连接后产生的电位差越大。这是牺牲阳极保护技术的基本原理。,第二章 腐蚀原理,电动序 按照金属相对于标准氢电极的标准还原电位代数值增大的顺序排列起来的表,反映了金属氧化还原能力强弱的顺序。可用于判断金属腐蚀的倾向。,第二章 腐蚀
18、原理,标准电动序:(相对于标准氢电极,25) 钾 钠 镁 铝 锌 铬 铁 镍 铅 (氢) 铜 汞 银 铂 金 电极电位由低到高 活性由高到低 镁 :2.363伏 铝: 1.662伏 铁: 0.771伏 铜: 0.440伏 金: 1.498伏,第二章 腐蚀原理,不同电极电位的金属在HCI中的表现,第二章 腐蚀原理,电偶腐蚀在大气中也发生。其严重性取决于所含水分的类型和数量。近海岸的腐蚀比干燥的乡村大气严重,近海岸的冷凝液含盐分,它比内陆的冷凝液导电性(腐蚀性)更大,即使湿度和温度相同它也是更好的电解液。 实验证明,在所有的情况下锌对钢为阳极,铝各有不同,锡和镍则总是阴极。,第二章 腐蚀原理,当金
19、属完全干燥时,不发生电偶腐蚀,因为在两个电极区域之间没有传递电流的电解质。 电偶腐蚀的影响因素是:电位差、面积差、距离,第二章 腐蚀原理,两金属的电位差越大,腐蚀的动力就越大, 铝( 1.662伏 )铜:( 0.337伏 ) 大于 铝( 1.662伏 )铁:( 0.440伏 ),第二章 腐蚀原理,面积的影响:电偶腐蚀中的一个重要因素是面积效应,即阴极和阳极的面积比例,大阴极和小阳极构成不利的面积比。与阳极面积和阴极面积相等的情况相比,大阴极小阳极时,小阳极区的腐蚀可能要严重100倍或1000倍。 例子:钢板上可用铜铆钉,铜板上不能用钢铆钉。,第二章 腐蚀原理,距离的影响:由电偶效应引起的加速腐
20、蚀通常在连接处最大,离连接处越远,腐蚀越小。电偶作用的距离取决于溶液的电导率。,第二章 腐蚀原理,3、缝隙腐蚀 金属浸在腐蚀介质中,在缝隙和其他隐蔽的区域内常常发生强烈的局部腐蚀。这类腐蚀常和孔穴、垫片底面、搭接缝、表面沉积物以及螺帽和铆钉下的缝隙内积存的少量静止溶液有关。这种腐蚀形态称为缝隙腐蚀,也叫作沉积物腐蚀或垫片腐蚀。,第二章 腐蚀原理,缝隙腐蚀示意图,第二章 腐蚀原理,缝隙腐蚀初期阶段,第二章 腐蚀原理,缝隙腐蚀后期阶段,第二章 腐蚀原理,金属和非金属表面接触能引起缝隙腐蚀。如一条橡皮带绕在不锈钢上放到海水中。 一条缝隙要成为腐蚀的部位,必须宽到液体能流入,但又必须窄到能维持静滞的区
21、域。一般尺寸是几十到上百个微米。垫片引起的缝隙腐蚀最常见,因为垫片材料吸水,又能维持静止。,第二章 腐蚀原理,防止的措施: 1、采用对接焊,不用或少用铆或螺杆连接,焊接要坚实并焊透,避免内部产生微孔和缝隙。 2、搭接焊的焊缝要用连续焊。 3、设计容器时要使液体能完全排净,避免锐角和静滞区(死角),液体能排净便于清洗,可防止固体在底部沉积。 4、经常检查设备并除去沉积物。 5、尽可能使用不吸水的垫片。,第二章 腐蚀原理,4、孔蚀 孔蚀是在金属上产生小孔的一种极为局部的腐蚀形态。这类孔的直径可大可小,但在大多数情况下都比较小。有些孔是孤立的存在,有些则紧凑在一起,看上去像一片粗糙的表面。 深度明显
22、大于表面直径的为孔蚀,表面直径近似于深度的为点蚀。,第二章 腐蚀原理,孔蚀示意图,第二章 腐蚀原理,孔蚀是破坏性和隐患性最大的腐蚀形态之一。它使设备穿孔破坏,失重法又检查不出来。孔蚀不易检查,因为孔既小,又通常被腐蚀产物所覆盖。 孔蚀特别有害,因为它是一种局部的和剧烈的腐蚀形态,会在突然间导致事故。 孔蚀为什么进展很快?蚀孔内部是一种自催化过程。,第二章 腐蚀原理,多数孔蚀破坏是由于氯化物和含氯离子引起的。多数的水和水配成的溶液都不同程度地含有氯化物,次氯酸盐(漂白剂)就具有强烈的引起腐蚀的倾向。大多数孔蚀都和卤素离子有关,影响最大的是氯化物、溴化物和次氯酸盐。 孔蚀一般发生在静滞的条件下,有
23、流速或提高流速常会使孔蚀减轻。如,打海水的泵,连续运转没问题,停止一段时间就会产生孔蚀。,第二章 腐蚀原理,表面光洁度常对孔蚀有明显影响,孔蚀在抛光表面比在浸蚀或粗磨的表面更不容易发生。 普通钢比不锈钢耐孔蚀能力高一些。 防护:防止缝隙腐蚀的方法一般也适用于防止孔蚀。316不锈钢(188钼)耐孔蚀能力较好,316不锈钢是在304不锈钢(188)的基础上加入了2%钼。加钼产生了保护性更强或更稳定的钝化表面。,第二章 腐蚀原理,5 晶间腐蚀和选择性腐蚀 晶间腐蚀和选择性腐蚀主要是指合金的腐蚀,不作为重点,只介绍概念。 当晶界或其邻近产生局部腐蚀,而晶粒的腐蚀相对较小,就是晶间腐蚀。晶间腐蚀是由晶界
24、的杂质,或晶界区某一合金元素增多或减少引起的。如:铝中含有少量的铁在晶界离析出来,因而引起晶间腐蚀;由于表面张力的原因,锌含量在黄铜的晶界含量较高;如果不锈钢晶界上贫铬(铬含量降低)也将引起晶间腐蚀。,第二章 腐蚀原理,选择性腐蚀也叫选择性浸出,是由于腐蚀过程而从一种固体合金中除去其中一种元素。最普通的例子是由黄铜中选择性的脱除锌(脱锌);铸铁有时会选择性浸出,铸铁看上去像 “石墨”; 危害:改变了金属的成分,改变了性能,破坏了强度。,第二章 腐蚀原理,不锈钢的晶界示意图,第二章 腐蚀原理,晶界区界面,第二章 腐蚀原理,6、磨损腐蚀 磨损腐蚀是由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动,引起金属的加速
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