大气腐蚀的影响因素及优化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：虽然大气中SO2含量很低，但它在溶液中的溶解度比氧气约高1300倍，对腐蚀影响很大。H2S气体在干燥的大气中会使铜变色，在潮湿大气中会加速铜、镍、镁以及铁的腐蚀。中性盐类对金属腐蚀的影响取决于很多因素，如腐蚀产物的溶解度、阴离子的特性，特别是氯离子。所以不同大气环境中的不同污染物质对大气腐蚀有着不同的影响。此外，当表面存在污染物质，会吸附有害杂质更进一步促进腐蚀的进程，故金属表面的清洁度对腐蚀也有明显的影响。

大气腐蚀的影响因素很复杂，它主要取决于大气的湿度、成分、温度以及大气中污染物质等气候条件，其中大气的相对湿度（RH）对大气腐蚀影响最大。

1.气候因素

大气中的气候因素直接影响着大气的腐蚀作用，其中包括大气中的相对湿度、金属表面润湿时间、气温、日照时间、降雨等因素。

（1）大气的相对湿度从腐蚀机理来看，大气腐蚀实质上是一种液膜下的化学或电化学反应，空气中的水分在材料表面凝聚形成液膜是发生大气腐蚀的基本条件之一，而液膜的形成又与大气中的相对湿度密切相关。因此，空气中的相对湿度是影响大气腐蚀的一个非常重要的因素。相对湿度对金属材料大气腐蚀的影响不是线性的，而存在某一相对湿度值，当环境的相对湿度超过此值时，金属的腐蚀速率会迅速提高，这个值被称为临界相对湿度。不同的材料或同一材料的不同表面状态，对大气中水分的吸附能力是不同的，因此它们有着不同的临界相对湿度值。几种常用金属材料，如铁、钢、铜、锌、铝的腐蚀临界相对湿度在70%～80%之间。相对湿度的大小直接影响金属表面的状态。研究发现抛光的钢、锌、铜、铝样品表面吸附SO₂的能力与相对湿度有很大的关系。

（2）金属表面润湿时间金属表面润湿是由露水、雨水、融化的雪水等因素引起的。而润湿时间定义为能引起大气腐蚀的电解质膜以吸附膜或液态膜形式覆盖在金属表面上的时间。很明显，润湿时间就是反映金属发生电化学腐蚀过程的时间，它对金属的大气腐蚀有着极为重要的作用。润湿时间的长短决定着金属腐蚀程度，润湿时间越长，腐蚀越严重。

（3）气温环境温度及其变化影响着金属表面水蒸气的凝聚、液膜中各种腐蚀气体和盐类的溶解度、液膜的电阻以及腐蚀电池中阴、阳极过程的反应速率。同时，综合考虑温度与大气相对湿度的影响，当相对湿度低于金属临界相对湿度时，温度对大气腐蚀的影响很小，但当相对湿度达到金属的临界相对湿度时，温度的影响就十分明显。对一般化学反应而言，温度每升高10℃，反应速度约提高1倍，因此热带、亚热带海洋地区的大气腐蚀现象尤为严重。

（4）日照时间对金属材料而言，日照时间过长，会导致金属表面液膜的消失，降低表面润湿时间，使腐蚀总量减少，但对短期腐蚀影响不太明显。

（5）降雨降雨对大气腐蚀主要有两个方面的影响：一方面由于降雨增大了大气中的相对湿度，使金属表面变湿，延长了润湿时间；同时雨水的冲刷作用破坏了腐蚀产物的保护性，加速了金属的大气腐蚀过程；另外在污染大气中的降雨往往形成酸雨，从而也会导致腐蚀加速。另一方面，由于降雨能稀释或冲洗掉金属表面的污染物和灰尘，因此也在一定程度上减缓腐蚀。

除以上影响腐蚀的因素外，风向、风速和降尘等直接影响材料的表面状况，因此也对金属的腐蚀有不可忽视的影响。

2.大气中的污染物

大气中的污染物主要由含有S、Cl、N元素的气体以及其他固态颗粒组成。大气污染物的主要组成见表1⁃1。

表1⁃1 大气污染物的主要组成

注：另外还`有O₃及低相对分子质量的有机化合物（主要为C₁～C₅的化合物）。

（1）大气中有害气体的影响大气污染物对金属的腐蚀影响极为重要，如SO₂、NO_x、O₃、CO₂、有机卤代烃等。在大气污染物中，硫的氧化物SO_x，影响最为严重，特别是SO₂，在城市或工业区大气中含量非常高。各种大气中SO₂的沉积速率见表1⁃2。石油、煤燃烧的废气中都含有大量的SO₂。由于冬季用煤比夏季多，SO₂的污染更为严重，对腐蚀的影响也更严重。如铁、锌等金属在SO₂气氛中生成易溶的亚硫酸盐化合物，它们的腐蚀速率和SO₂的含量呈直线关系，如图1⁃2所示。一般来说，金属表面液膜的pH在2～7之间。如果空气被SO₂等酸性气体严重污染时，pH较低；当空气较为清洁时，pH较高。

表1⁃2 各种大气中SO₂的沉积速率

图1⁃2 大气中SO₂含量对碳钢腐蚀的影响

目前，SO₂能加速金属腐蚀速率的机理主要有两种看法：其一是在高湿度条件下，由于液膜增厚，SO₂参与了阴极去极化作用，当SO₂含量大于0.5%（质量分数）时，此作用明显增大。虽然大气中SO₂含量很低，但它在溶液中的溶解度比氧气约高1300倍，对腐蚀影响很大。其二是认为有一部分SO₂被吸附在金属表面（如铁），与铁反应生成易溶于水的硫酸亚铁，硫酸亚铁进一步氧化并由于强烈的水解作用生成了硫酸，硫酸又和铁作用，整个过程具有自催化反应的特征。

H₂S气体在干燥的大气中会使铜变色，在潮湿大气中会加速铜、镍、镁以及铁的腐蚀。H₂S溶入水中形成电解质溶液使金属表面的液膜不仅酸化，而且增加导电性，从而加速腐蚀。

在目前工业发展较快的阶段，特别是随着石化、汽车工业的发展，大气中含氮、碳化合物的污染大增。有的地方可能已超过以往工业燃煤所产生的硫的污染，如CO₂在大气中的体积分数为0.03%～0.05%，在液膜中的摩尔浓度约为10^-5mol/L。因此含氮和碳的化合物对材料的腐蚀问题日益引起了人们的重视。

（2）酸碱盐的影响环境介质酸碱性的改变，将影响去极化剂（如H+）的含量及金属表面膜的稳定性，进而影响腐蚀速率的大小。中性盐类对金属腐蚀的影响取决于很多因素，如腐蚀产物的溶解度、阴离子的特性，特别是氯离子。海盐粒子中的氯离子具有强烈的穿透性，容易穿过表面腐蚀产物层而渗透到基体。氯离子不但能破坏Fe、Al等金属表面的氧化膜，而且能增加液膜的导电性，使腐蚀速率增加。

（3）固体颗粒等因素的影响固体颗粒的组成比较复杂，除海盐粒子外，还有碳和碳的化合物、氮化物、金属氧化物、砂土等。它们对腐蚀的影响，一般有四种情况：一是颗粒本身具有可溶性和腐蚀性，如铵盐颗粒，当其溶解于液膜中时成为腐蚀介质，会提高腐蚀速率；二是颗粒本身无腐蚀性，也不溶解，如炭粒，但它能吸附腐蚀性物质，当腐蚀性物质溶解于液膜时，能加速腐蚀过程；三是本身无腐蚀性和吸附性，但落在金属表面上可能使沙粒与金属表面形成缝隙，易于水分凝聚，使金属表面形成电解液薄膜，形成局部的氧气浓度差，加速金属腐蚀；四是腐蚀产物，经大气腐蚀后的材料表面上所形成的腐蚀产物膜，一般均有一定的“隔离”腐蚀介质的作用，因此，对于多数材料来说，腐蚀速率随暴露时间的延长而有所降低，但很少呈直线关系。这种产物保护现象对耐候钢尤为突出，其原因在于腐蚀产物中合金元素富集，使锈层结构致密，起到良好的屏蔽作用，但对于阴极性金属保护层，常常由于镀层有孔隙，在底层下生成的腐蚀产物，因体积膨胀而导致表面保护层的脱落、起泡、龟裂等，甚至发生缝隙腐蚀，此外，一些已经形成的腐蚀产物还会改变材料表面的吸湿性甚至影响表面对污染组分的吸收，进而对腐蚀过程产生复杂的影响。

对于不同的大气环境类型，其主要污染物也不相同。工业大气污染物中主要含有硫的化合物；海洋大气主要是含氯离子的海盐粒子为主，海洋工业大气是以既含有工业废气的有害杂质又含有海洋环境的海盐粒子为特征；而农村大气中不含有强烈的化学污染，主要含有有机物和无机物的尘埃，空气中的主要组分是水分及氧气、二氧化碳等组分，大气腐蚀性相对小些。所以不同大气环境中的不同污染物质对大气腐蚀有着不同的影响。

（4）金属表面因素表面因素主要指材料表面粗糙度。粗糙的表面增加了金属表面的毛细效应、吸附效应和凝聚效应，使金属表面形成电解质溶液的条件发生了改变，直接影响其腐蚀行为。

初期：金属表面状态对空气中的水分吸附和凝聚有较大的影响。经过精细研磨和擦得比较光亮的金属表面，尤其是在腐蚀开始阶段，能提高其耐蚀性。粗糙加工的表面活性较强。此外，当表面存在污染物质，会吸附有害杂质更进一步促进腐蚀的进程，故金属表面的清洁度对腐蚀也有明显的影响。

后期：经过大气腐蚀后的金属表面上所形成的腐蚀产物膜，一般均有一定的“隔离”腐蚀介质的作用。例如耐候钢，腐蚀速率随暴露时间的延长而有所降低，其原因主要是内层腐蚀产物结构致密，对基体起到较好的保护作用。

大气腐蚀的影响因素及优化

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