如何有效提高金属抗腐蚀效果?

2020-09-07 00:48:47 hualin 5

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金属所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用,引起金属的变质和变坏,称为金属腐蚀,腐蚀现象是十分普遍的。从热力学的观点出发,除了极少数贵金属(Au、Pt等)外,一般金属发生腐蚀都是一个自发过程。人们已经认识到使用的金属很少是由于单纯机械因素(如拉、压、冲击、疲劳、断裂和磨损等)或其他物理因素(如热能、光能等)引起的破坏的,绝大多数金属材料的破坏都与其腐蚀因素有关,因此金属材料的腐蚀己成为当今不可忽略的重要问题。


针对金属腐蚀的原因采取适当的方法防止金属腐蚀,常用的方法有:


结构改变法


例如制造各种耐腐蚀的合金,如在普通钢铁中加入铬、镍等制成不锈钢。


保护层法


在金属表面覆盖保护层,使金属制品与周围腐蚀介质隔离,从而防止腐蚀。如:


(1)在钢铁制件表面涂上机油、凡士林、油漆或覆盖搪瓷、塑料等耐腐蚀的非金属材料。


(2)用电镀、热镀、喷镀等方法,在钢铁表面镀上一层不易被腐蚀的金属,如锌、锡、铬、镍等。这些金属常因氧化而形成一层致密的氧化物薄膜,从而阻挡水和空气等对钢铁的腐蚀。


(3)用化学方法使钢铁表面生成一层细密稳定的氧化膜。如在机器零件、枪炮等钢铁制件表面形成一层细密的黑色四氧化三铁薄膜等。


电化学保护法


利用原电池原理对金属进行保护,设法消除引起电化腐蚀的原电池反应。电化学保护法分为阳极保护和阴极保护两大类,应用较多的是阴极保护法。


牺牲阳极保护


此法是将活泼金属(如锌或锌的合金)连接在被保护的金属上,当发生电化腐蚀时,这种活泼金属作为负极发生氧化反应,因而减小或防止被保护金属的腐蚀。这种方法常用于保护水中的钢桩和海轮外壳等,例如水中钢铁闸门的保护,通常在轮船的外壳水线以下处或在靠近螺旋浆的舵上焊上若干块锌块,来防止船壳等腐蚀。 


外加电流保护


将被保护的金属和电源的负极连接,另选一块能导电的惰性材料接电源正极。通电后,使金属表面产生负电荷(电子)的聚积,因而抑制了金属失电子,而达到保护目的。此法主要用于防止在土壤、海水及河水中的金属设备受到腐蚀。电化学保护的的另一种方法叫阳极保护法,即通过外加电压,使阳极在一定的电位范围内发生钝化的过程。可有效地阻滞或防止金属设备在酸、碱、盐类中腐蚀。 


处理腐蚀介质


消除腐蚀介质,如经常揩净金属器材、在精密仪器中放置干燥剂或在腐蚀介质中加入少量能减慢腐蚀速度的缓蚀剂等。


表面处理


通常金属表面会附有尘埃、油污、氧化皮、锈蚀层、污染物、盐份或松脱的旧漆膜。其中氧化皮是比较常见但最容易被忽略的部分。氧化皮是在钢铁高温锻压成型时所产生的一层致密氧化层,通常附着比较牢固,但相比钢铁本身则较脆,并且其本身为阴极,会加速金属腐蚀。如果不清除这些物质,直接涂装,势必会影响整个涂层的附着力及防腐能力。据统计,大约有70%以上的油漆问题是由于不适当的表面处理所引起的。因此,对于一个金属防腐涂装油漆系统的性能体现,合适的表面处理是至关重要的。 


清理等级


也即清洁度,代表性国际标准有两种:一种是美国85年制订“SSPC-”,第二种是瑞典76年制订的“Sa-”,它分为四个等级分别为Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3,为国际惯常通用标准,详细介绍如下:


Sa1级——相当于美国SSPC—SP7级。采用一般简单的手工刷除、砂布打磨方法,这是四种清洁度中度最低的一级,对涂层的保护仅仅略好于未采用处理的工件。Sa1级处理的技术标准:工件表面应不可见油污、油脂、残留氧化皮、锈斑、和残留油漆等污物。Sa1级也叫做手工刷除清理级(或清扫级)。


Sa2级——相当于美国SSPC—SP6级。采用喷砂清理方法,这是喷砂处理中最低的一级,即一般的要求,但对于涂层的保护要比手工刷除清理要提高许多。Sa2级处理的技术标准:工件表面应不可见油腻、污垢、氧化皮、锈皮、油漆、氧化物、腐蚀物、和其它外来物质(疵点除外),但疵点限定为不超过每平方米表面的33%,可包括轻微阴影;少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色;氧化皮及油漆疵点。如果工件原表面有凹痕,则轻微的锈蚀和油漆还会残留在凹痕底部。Sa2级也叫商品清理级(或工业级)。


Sa2.5级——是工业上普遍使用的并可以作为验收技术要求及标准的级别。Sa2.5级也叫近白清理级(近白级或出白级)。Sa2.5级处理的技术标准:同Sa2要求前半部一样,但疵点限定为不超过每平方米表面的5%,可包括轻微暗影;少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色;氧化皮及油漆疵点。


Sa3级——级相当于美国SSPC—SP5级,是工业上的最高处理级别,也叫做白色清理级(或白色级)。Sa3级处理的技术标准:与Sa2.5级一样,但5%的阴影、疵点、锈蚀等疵点不得存在了。


随着现代工业的发展,一批新兴工业领域的出现和许多现代工程的兴建,对防腐涂料承受环境的能力和使用寿命提出了更高的要求。常用的防腐涂料已不能满足这些需要。人们提出的“重防腐涂料(Heavy-duty Coating)”的概念,一般指在苛刻的腐蚀环境使用,包括底漆和面漆的配套涂料。简单地说:重防腐涂料就是使用寿命更长,可适应更苛刻的使用环境的涂料称为重防腐涂料。在化工大气和海洋环境里重防腐涂料一般可使用10年或15年以上,在酸、碱、盐和溶剂介质里,并在一定温度的腐蚀条件下,一般能使用5年以上。


除锈等级


钢丝刷除锈


St2 彻底的手工和动力工具除锈


表面应无肉眼可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质。


St3 非常彻底的手工和动力工具除锈


同St2,但应比St2处理得更彻底,金属底材呈金属光泽。


喷砂除锈


Sa1级 轻度喷砂除锈


表面应无可见的油脂、污物、附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层等杂质。


Sa2级 彻底的喷砂除锈


表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质基本清除,残留物应附着牢固。


Sa2.5级 非常彻底的喷砂除锈


表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质,残留物痕迹仅显示点状或条纹状的轻微色斑。


Sa3级 喷砂除锈至钢材表面洁净


表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质,表面具有均匀的金属色泽。


防锈颜料


用于防腐涂料的防锈颜料的种类较多,其常见有以下几种:


①与成膜剂起反应形成致密的防腐涂层;


②颜料是碱性物质,溶于水则形成碱性环境;


③水溶性的成分到达金属表面使表面钝化;


④与酸性物质反应使其失去腐蚀能力;


⑤水溶性成分或与成膜剂的反应生成物在水中溶解变为防腐成分等。


机理


防锈颜料的上述防腐作用通常是同时存在的,其防腐机理包括下列物理、化学、电化学的三个方面。


物理防腐作用


适当配以与油性成膜剂起反应的颜料可以得到致密的防腐涂层使物理的防腐作用加强。例如含铅类颜料与油料反应形成铅皂使防腐涂层致密,从而减少了水、氧有害物质的渗透。磷酸盐类颜料水解后形成难溶的碱式酸盐,具有堵塞防腐涂层中针孔的效果。而铁的氧化物或具有鳞片状的云母粉、铝粉、玻璃薄片等颜料填料均可以使防腐涂层的渗透性降低,起到物理的防腐作用。


化学防腐作用


当有害的酸性碱性物质渗入防腐涂层时,能起中和作用变其为无害物质,这也是有效的防腐方法。尤其是巧妙地采用氧化锌、氢氧化铝、氢氧化钡等两性化合物,可以很容易地实现中和酸性或碱性的有害物质而起防腐作用,或者能与水、酸反应生成碱性物质。这些碱性物质吸附在钢铁表面使其表面保持碱性,在碱性环境下钢铁不易生锈。


电化学防腐作用从涂层的针孔渗入的水分和氧通过防腐涂层时,与分散在防腐涂层中的防锈颜料反应形成防腐离子。这种含有防腐离子的湿气到达金属表面,使钢铁表面钝化(使电位上升),防止铁离子的溶出,铬酸盐类颜料就具有这种特性。或者利用电极电位比钢铁低的金属来保护钢铁,例如富锌涂料就是由于锌的电极电位比钢铁低,起到牺牲阳极的作用而使钢铁不易被腐蚀。 


油防锈


螺纹紧固件多种多样,从普通螺栓、螺母、螺钉,到高强度、高性能、高精度、高附加值和非标异形件,他们的防锈包装方法却基本相同。对于表面氧化、磷化、发黑的螺纹紧固件多数都是采用表面涂、浸防锈油外,外加用塑料包装的方式。


防锈油脂是在石油类基本组分中加入一种或多种防锈添加剂(又称油溶性缓蚀剂)及其辅助添加剂组成,它使用方便,成本低廉,效果好,操作简单,紧固件行业都在大量使用。


产品举例


国内防锈油脂从上世纪60年代开始出现商品,由武汉材料保护研究所制定了GB4879-1985《防锈包装》标准,列出了国产防锈油的种类和指标。


近二十年来,防锈油的发展较快,每年都有各种新产品问世,下面作一简介。


薄层防锈油


RPA型,GF型溶剂型薄层防锈油,经多数紧固件企业的各种不同工艺进行生产性应用,证明对紧固件产品具有良好的防锈性能,同时,易涂覆,色泽浅亮,溶剂挥发少,用量省,为厚层防锈油的三分之一以下,故节约生产成本三分之二以上。HH932脱水防锈油,可保证在十个月内不生锈;JN-2防锈油,主要用途为紧固件常温发黑后的处理。薄层防锈油可用于室内工序间防锈,也可以用于包装封存防锈。


蜡膜防锈油


在溶剂稀释型防锈油或超薄层防锈油中加入某些油溶性蜡,可以获得含蜡的防锈保护膜,能明显的提高油膜的抗盐雾和耐大气性能。然而,常温下蜡是固态或半固态,在油品中极易析出,影响油品的外观和质量,甚至难以获得理想的防锈效果,因此,寻找油溶性较好,能明显改善防锈性的蜡是获得稳定性好、成膜均匀含蜡防锈油的关键。


蜡膜防锈油是由成膜剂、高效缓蚀剂和基础油组成的一种溶剂稀释型防锈油。与其他类型的防锈油相比,蜡膜油具有油膜薄、防锈性好、涂层美观等优点。


水溶性防锈油


中国防锈油基本上都是以汽油、煤油或机械油作为溶剂,都是由石油分馏出来的产物,因无法使含在石油里面的芳香烃脱出来,所以汽油、煤油和机械油都含有芳香烃,使用汽车、煤油做溶剂油,一是它的闪点低,易着火,二是污染环境,有害于人的身体健康。以水作为溶剂的D.K8号水溶剂性防锈油不含芳香烃、铅等对人体有害的物质,生产中无三废排放,防锈效果也是较理想的,这种防锈油易涂、易除,用在封存紧固件的防锈上,可用自来水清洗,此产品经国家有关部门鉴定,达到了环保要求。