大气腐蚀的类型

大气腐蚀的分类多种多样。可按地理和空气中含有微量元素的情况(工业、海洋和农村)分类;可按气候(热带、湿热带、温带等)分类;也可按水汽在金属表面的附着状态分类。从大气腐蚀形成条件看,金属材料的大气腐蚀主要是受大气中所含的水分、氧气和腐蚀性介质(包括NaCl、CO 、SO 、烟尘、表面沉积物)的联合作用而引起的破坏。主要参与大气腐蚀过程的是氧和水汽,二氧化碳虽参与锌和铁等某些金属的腐蚀过程,形成腐蚀产物碳酸盐,但它的作用是次要的。氧在大气腐蚀中主要参与电化学腐蚀过程,而材料表面的水膜则是参与该过程的电解液层。由于电解质液膜的存在,形成了电化学腐蚀的条件,才使金属受到明显的大气腐蚀,而且随着液膜厚度不同,其腐蚀速率不同。电解液层主要由大气中的水汽形成,水汽在大气中的含量常用相对湿度来表示。水汽含量随地域、季节、时间等条件而变化,它是决定大气腐蚀速率和腐蚀历程的主要因素。因此,按照金属表面的潮湿程度不同,也就是按照金属表面电解液膜的存在和状态不同,可以把大气腐蚀分为3种类型。

1.干大气腐蚀

在空气非常干燥的条件下(通常RH为60%~80%或更小),金属表面没有水膜存在时的腐蚀称为干大气腐蚀。这种腐蚀主要是由纯化学作用引起的,属于化学腐蚀中的常温氧化。其特点是在金属表面形成不可见的保护性氧化膜。例如,在清洁而又干燥的室温大气中,大多数金属表面生成一层极薄的(1~4nm)氧化膜。在含有微量硫化物的空气中,由于金属硫化物膜的晶格有许多缺陷,它的离子电导和电子电导比金属氧化物大得多,硫化物膜还比氧化物膜厚得多,使铜、银这些金属表面变得晦暗,出现失泽(形成了一层可见薄膜)现象,从而影响其美观和电接触点的导电性,但无明显的破坏。金属失泽和干的氧化作用之间有着密切关系,其膜的成长服从抛物线规律,而在室温下的清洁空气中则按对数规律增厚。

2.潮大气腐蚀

在相对湿度足够高(RH为60%~80%或更高但低于100%)时,在金属表面存在肉眼看不见的极薄液膜(10nm~1μm)时所发生的腐蚀称为潮大气腐蚀。这种水膜是由于毛细管作用、吸附作用或化学凝聚作用而在金属表面上形成的。干、潮大气腐蚀之间存在一个临界相对湿度,当空气中相对湿度达到某一临界值时,水分在金属表面形成水膜时的相对湿度称为金属腐蚀临界相对湿度。当超过临界相对湿度时,发生潮大气腐蚀,如铁在没有被雨、雪淋湿环境中的生锈。

3.湿大气腐蚀

当空气相对湿度接近100%以及当水分以雨、雪、飞沫等形式直接落在金属表面上时,金属表面上凝聚成肉眼可见的液膜层时的腐蚀称为湿大气腐蚀。潮的和湿的大气腐蚀都属于电化学腐蚀。

以上3种类型的大气腐蚀的机理和腐蚀速率各不相同,它们的关系如图6.1所示。大气腐蚀速率与水膜层厚度之间的关系大致可分为4个区域。

(1)区域Ⅰ。当大气湿度特别低时,金属表面上只有约几个分子层厚(1~10nm)的吸附水膜,还没有形成连续的电解液膜,腐蚀速率很小,实际上属于化学腐蚀中的常温氧化情况,相当于干大气腐蚀状态。金属Cu、Ag等在含有硫化物污染了的空气中的失泽现象即属于干大气腐蚀。

(2)区域Ⅱ。金属表面水膜厚度可达几十个或几百个水分子层厚,约10nm~1μm,形成连续的电解液薄膜,开始了电化学腐蚀过程,腐蚀速率急剧增加,对应于“潮大气腐蚀”状态。

图6.1 大气腐蚀速率与金属表面上水膜层厚度之间的关系

(3)区域Ⅲ。当可见的液膜层厚度为1μm~1mm时,进入湿大气腐蚀区。随着液膜厚度进一步增加,氧的扩散变得困难,因而腐蚀速率明显下降。

(4)区域Ⅳ。金属表面水膜厚度大于1mm,相当于金属全浸在电解质溶液中的腐蚀,腐蚀速率基本不变,发生湿大气腐蚀。区域Ⅲ和区域Ⅳ为湿大气腐蚀区域。

在实际的大气条件下,大气湿度一般不会太低,而且干大气腐蚀速率低微。因此通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀,一般环境的大气腐蚀大多是在Ⅱ、Ⅲ区进行的。但应当指出,随着气候条件(晴、雨、雪、白天、夜晚等)和金属表面状态(氧化物、盐类的附着情况)的变化,各种腐蚀形式可以互相转换,交替发生。例如,最初处于干大气腐蚀形式下的金属,当周围大气湿度增大或由于生成了吸水性的腐蚀产物时,可能就会按照潮大气腐蚀历程进行腐蚀。当雨水直接落到金属表面上时又转变为湿大气腐蚀,而当雨后金属表面上的可见膜被蒸发后,就又重新按照潮大气腐蚀形式进行腐蚀。

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