金属零件的腐蚀问题及解决方法

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：与机械零件发生化学反应的有害物质主要是气体中的O2、H2S、SO2等及润滑油中某些腐蚀性产物。腐蚀疲劳承受交变应力的金属机件，在腐蚀环境下疲劳强度或疲劳寿命降低，乃至断裂破坏的现象，称为腐蚀疲劳或腐蚀疲劳断裂。

在工程领域，金属腐蚀造成的经济损失是巨大的，据估计，全世界每年因腐蚀而报废的钢材与设备相当于年钢产量的30%。腐蚀是金属受周围介质的作用，而引起损伤的现象，这种损伤是金属零件在某些特定的环境下发生化学反应和电化学反应的结果。腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，造成表面材料损耗，表面质量破坏，内部晶体结构损伤，使零件出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域，最终导致零件的失效。

金属腐蚀按其作用和机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

4.3.1　金属零件的化学腐蚀

金属的化学腐蚀是由单纯化学作用引起的腐蚀。当金属零件表面材料与周围的气体或非电解质液体中的有害成分发生化学反应时，金属表面形成腐蚀层，在腐蚀层不断脱落又不断生成的过程中，零件便被腐蚀。与机械零件发生化学反应的有害物质主要是气体中的O2、H2S、SO2等及润滑油中某些腐蚀性产物。铁与氧的化学反应是最普通的化学腐蚀，其过程是：

4Fe +3O2 →2Fe2O3

3Fe +2O2 →Fe3O4

腐蚀产物Fe2O3或Fe3O4一般都形成一层膜，覆盖在金属表面。在摩擦过程中，摩擦表面覆盖的氧化膜被磨掉后，摩擦表面与氧化介质迅速反应，又形成新的氧化膜，然后在摩擦过程中又被磨掉，在这种循环往复的过程中，金属被腐蚀。氧化腐蚀的特征是：在摩擦表面沿滑动方向有匀细的磨痕，并有红褐色片状的Fe2O3或灰黑色丝状的Fe3O4磨屑产生。

影响氧化磨损的主要因素是氧化膜的致密、完整程度以及其与基体结合的牢固程度，若氧化膜紧密、完整无孔、与金属基体结合牢固，则氧化膜的耐磨性就好，不易被磨掉，有利于防止金属表面的腐蚀。金属氧化膜要起到保护金属表面不被腐蚀的作用，必须符合以下四个条件：

①膜的强度和塑性要好，并且与基体金属的结合力强。

②膜的致密性好，其大小要做到能完整地将金属表面全部覆盖，且膜各处厚度一致。

③膜具有与基体金属相当的热膨胀系数。

④膜在气体介质中是稳定的。

这层膜如果符合上述四个条件，则金属表面“钝化”，使化学反应逐渐减弱、终止；否则，化学反应（腐蚀）就会持续进行。

4.3.2　金属零件的电化学腐蚀

电化学腐蚀是一种复杂的物理与化学腐蚀过程。它是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀，与化学腐蚀的不同之处在于腐蚀过程中有电流产生。形成电化学腐蚀的基本条件是：

①有两个或两个以上的不同电极电位的物体或在同一物体中具有不同电极电位的区域，以形成正、负极。

②电极之间需要有导体相连接或电极直接接触，使腐蚀区电荷可以自由流动。

③有电解质溶液存在。

这三个条件与形成原电池的基本条件相同。原电池的工作过程是：作为阳极的锌被溶解，作为阴极的铜未被溶解，在电解质溶液中有电流产生。电化学腐蚀原理与此基本相同。因此，电化学腐蚀可定义为是具有电位差的两个金属极在电解质溶液中发生的具有电荷流动特点的连续不断的化学腐蚀。常见的电化学腐蚀形式有以下四种：

（1）均匀腐蚀

当金属零件或构件表面出现均匀的腐蚀组织时，称为均匀腐蚀。均匀腐蚀可在液体、大气或土壤中产生。机械设备最常见的均匀腐蚀是大气腐蚀。在工业区，大气中含有较多的CO2、SO2、H2S、NO2和Cl2等，这些气体均是腐蚀性气体。特别是SO2会被氧化为SO3然后与空气中的水作用生成H2SO4吸附在零件表面形成电解液膜，从而引起强烈的电化学腐蚀。此外，空气中的灰尘也含有酸、碱、盐类微粒，当这些微粒黏附在零件表面时，同样会吸收空气中的水分而形成电解液，以致造成零件表面腐蚀。

（2）小孔腐蚀（点蚀）

金属件的大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，但局部地方出现腐蚀小孔，并向深处发展的腐蚀现象，称为小孔腐蚀（简称“点蚀”）。由于工业上用的金属往往存在极小的微电极，故在溶液和潮湿环境中小孔腐蚀极易发生。对于钢类零件而言，当小孔腐蚀与均匀腐蚀同时发生时，其腐蚀点极易被均匀腐蚀产生的疏松组织所掩盖，不易被检测和发现。因此，小孔腐蚀是最危险的腐蚀形态之一。

（3）缝隙腐蚀

机电设备中的各个连接部件均有缝隙存在，一般在0.025～0.1 mm，当腐蚀介质进入这些缝隙并处于常留状态时，就会引发缝隙处的局部腐蚀。例如，管道连接处的法兰端面、金属铆接件铆合处等，都会发生这种缝隙腐蚀。

（4）腐蚀疲劳

承受交变应力的金属机件，在腐蚀环境下疲劳强度或疲劳寿命降低，乃至断裂破坏的现象，称为腐蚀疲劳或腐蚀疲劳断裂。腐蚀疲劳可以使金属机件在很低的循环（脉冲）应力下发生断裂破坏，并且往往没有明确的疲劳极限值，因此，腐蚀疲劳引起的危害比纯机械疲劳更大。

腐蚀疲劳的发生过程是：当金属机件在交变应力的作用下，表面产生塑性变形，出现挤出峰与挤入槽时，腐蚀介质就会乘机而入，在这些微观部位产生化学腐蚀与电化学腐蚀。腐蚀加速了裂纹的形成与裂纹扩展速度，并使金属组织受到了一定程度的破坏，最终导致机件腐蚀疲劳断裂。

除上述各种腐蚀失效模式之外，还有晶间腐蚀、接触腐蚀、应力腐蚀开裂等多种腐蚀形式，它们对不同材料、不同工况下的设备腐蚀有不同的影响。为防止和降低腐蚀失效的发生，减轻其对设备的危害，在设备制造过程中要特别注意正确选择机件材料，合理设计各种结构。对在易腐蚀环境下工作的机件，采用表面覆盖技术、电化学保护技术、添加缓腐剂等防腐措施，保护机件不受或少受腐蚀介质的影响。

4.3.3　气蚀

零件与液体接触并产生相对运动，当接触处的局部压力低于液体蒸发压力时，就会形成气泡，这些气泡运动到高压区时，会受到外部强大的压力被压缩变形，直至压溃破裂。气泡在被迫溃灭时，由于其溃灭速度高达250 m/s，故瞬间可产生极大的冲击力和高温，在冲击力和高温的作用下，局部液体会产生微射流，此现象称为水击现象。若气泡是紧靠在零件表面破裂的，则该表面将受到微射液流的冲击，在气泡形成与破灭的反复作用下，零件表面材料不断受到微射液流的冲击，从而产生疲劳而逐渐脱落，初时呈麻点状，随着时间延长，逐渐扩展成泡沫海绵状，这种现象称为气蚀。当气蚀严重时，可扩展为很深的孔穴，直到材料穿透或开裂而破坏，因此，气蚀又称为穴蚀。

气蚀是一种比较复杂的破坏现象，它不仅有机械作用，还有化学、电化学作用，当液体中含有杂质或磨粒时，会加剧这一破坏过程。气蚀常发生在柴油机缸套外壁、水泵零件、水轮机叶片和液压泵等处。

减轻气蚀的措施主要有：

①减少与液体接触的表面的振动，以减少水击现象的发生，可采用增加刚性、改善支承、采取吸振措施等方法。

②选用耐气蚀的材料，如球状或团状石墨的铸铁、不锈钢、尼龙等。

③零件表面涂塑料、陶瓷等防气蚀材料，也可在表面镀铬。

④改进零件结构，减小表面粗糙度值，减少液体流动时产生涡流现象。

⑤在水中添加乳化油，减少气泡爆破时的冲击力。

金属零件的腐蚀问题及解决方法

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