2020/09/02 • 没有评论

七个造成钢铁腐蚀的现象与原因，谈金属腐蚀(6)

（文章取材自网路，作者佚失，但内容经过188金宝搏苹果下载整理润饰）

在金属材料中，钢铁的腐蚀无疑是其中最重要的，因为在现今工业中钢铁的使用范围最广，影响也最大、举凡桥梁、机械、大楼建筑、结构物或许多公共工程的建设，无不与钢铁材料有关，甚至连许多的傢俱及电子产品也或多或少的使用了钢铁材料。

基本上，钢铁材料的腐蚀现象，主要也是由于化学及电化学因素所引起，由于形式多元包含范围很广，而其常见的形式有：直接氧化腐蚀、均匀腐蚀、贾凡尼腐蚀、穿孔腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、延晶腐蚀、浸蚀腐蚀、空洞腐蚀和摩擦腐蚀等。

下面我们就来介绍一下这些腐蚀的现象与原因：

1. 直接氧化腐蚀

在高温或缺乏水份的情况下，铁的腐蚀型态将不同于常温下的反应，而会直接与氧结合起反应，其反应式可以如下表示：

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃，氧化铁

由于氧化铁并不够细緻以隔绝空气，因此氧气仍可继续渗入，并形成氧化亚铁(FeO)和 (Fe₃O₄)等氧化物，这样的情况在钢的热轧或是热处理时经常会发生，被称之为「鳞皮」。

2. 均匀腐蚀(Uniform attack corrosion)

电子显微镜下雾状的氧化镍当一种金属被放置于电介质(或电解质)中，金属的某部分区域会比其他区域更具「阳极」，而且这些区域的位置还会不时的移动，有时也会週而復始，这样的现象使得腐蚀现象在各处均匀发生，称之为「均匀腐蚀」。

我们日常经常可见的铁生锈即属于「均匀腐蚀」的一种，金属的高温氧化或是镍的成雾状(fogging)也都是腐蚀的例子。

均匀腐蚀的量测与抗腐蚀能力判断

均匀腐蚀的速率，通常可以用几种单位来表示。国内外常见的有，每年侵蚀的公厘mm数、密尔mil数(mpy, mils penetration per year, 1 mil=1/1000吋=0.0254mm )、英吋数(ipy, inches penetration per year)，但有时由于不易量度，也会以每天损失重量mdd (miligrams per square decimeter per day)或以每年损失重量来推估mpy等各种数值。以钢为例，在海水中的腐蚀速率约为25mdd，约当5mpy。

一般来说，腐蚀的速率并不是均速，通常腐蚀的「初始速率」会较「最终速率」来得大，因此在测定腐蚀速率时，要记录整个过程，以外插法推估可能会产生很大的错误。

而材料的抗腐蚀能力则可以如下来判断：

材料的腐蚀速率如果在1mpy以下为则判定为「抗腐蚀强(outstanding)」，

在50mpy以上为「防蚀性转劣(poor)」，

在200mpy以上则「无法接受(unacceptable)」。

3. 贾凡尼腐蚀(Galvanic corrosion)

当腐蚀发生于两种不同金属接触处或是合金界面，通常能产生贾凡尼电池(Galvanic cell)效应，通常可以用金属材料在海水中的贾凡尼电位序来判断其可能腐蚀的位置。

比较容易成为阳极的金属易受到腐蚀。例如在海洋工程中，以焊锡(铅锡合金)銲接黄铜配件，因为黄铜的电位序较具阴极性，所以焊锡就较易受到腐蚀。

再从合金的观点来比较，如果电池效应发生在两相合金上，例如钢中具有肥粒铁和雪明碳铁相，则因为肥粒铁相较阳极性，而雪明碳铁相则较阴极性，就会产生电化学腐蚀，因此可以说，几乎所有的两相合金其腐蚀抵抗力都较单相金属为差。

4. 穿孔腐蚀(Pitting corrosion)

金属元件处于腐蚀环境中，由于位置的不同而使含氧量有浓淡之分，此时含氧浓度高之处会成为阴极，而含氧浓度低之处则会成为阳极，因此发生腐蚀现象，这种电池效应又称为「氧浓差电池(oxygen concentration cell)」。

穿孔腐蚀属于一种局部腐蚀，它发生的起始位置都是在含氧浓度不均或是材质不均的位置。观察金属置于充气水中的孔蚀成长情形，它的发生首先是由于孔洞的底部不容易补充到氧，缺氧的结果使得金属发生分解反应 M→M⁺+e^–，而在孔洞上方的周围则有较高浓度的氧，而发生还原反应 O₂+2H₂O+4e^–→4OH^–，因此孔洞的四周受到阴极保护，而不会被腐蚀。这种现象如果发生在酸性溶液中(例如HCl)，溶液中所含的Cl^–离子便会向孔洞的位置集中，使得孔洞中的H⁺离子浓度增加，而增加阳极的反应速率：

M⁺Cl^– + H₂O → MOH + H⁺Cl^–

结果整个穿孔腐蚀的过程就变成为自动催化的现象，而加速了整个腐蚀。

穿孔腐蚀在某些极端的条件下，比如特别长而狭窄的腐蚀空洞之尖端会引起应力集中的效果，从而使得坚固的合金变得易脆。在某些条件下，有些会形成金属钝化保护薄膜的合金，在氧浓度较低或是能够形成阴离子的物质浓度较高的环境下，虽然其表面仍然被钝化薄膜覆盖，但保护膜有可能因为某些原因造成不均匀、较薄或有小洞出现，腐蚀就会从这些位置开始，起初可能只是一个肉眼看不见的小破洞，但是小洞下面可能已经隐藏了拇指大小的腐蚀孔洞，这类腐蚀在结构出现问题前大多难以被探测到，反而是最危险的。所以，在能够形成钝化保护膜的合金中，腐蚀孔洞反而是最常见、也是最有危害的一种腐蚀形式。

5. 间隙腐蚀(Crevice corrosion)

「间隙腐蚀」特别容易发生在机械元件的接合处，例如金属垫圈或是铆接的地方。它也是属于一种电池效应，但是隙缝一般需要在特定程度大小的范围内才会发生，例如有足够的宽度可让溶液进入，又足够窄可以使溶液滞留等条件，所以在应用上或工程上必须要小心，避免发生足以产生间隙腐蚀的环境。

间隙腐蚀的机构很类似穿孔腐蚀的情形，首先是均匀腐蚀，然后因为氧浓淡电池引起阳极反应(缺氧区)和阴极反应(富氧区)，由于间隙内的氧无法补充，因此阳极反应会继续在同一个位置进行，因此产生了严重的腐蚀结果。

在不銹钢发生间隙腐蚀的现象中，有氯离子Cl^–存在是一个非常重要的因素，例如在NaCl溶液中，不銹钢的间隙腐蚀，是先由于氧浓淡电池所产生，阳极反应在此时生成正离子M⁺。

M → M⁺ + e^–

接着因为缺氧，所以阳极反应持续进行，形成高浓度的M⁺，并与NaCl溶液中的Cl^–，形成M⁺Cl^–。

6. 应力腐蚀(Stress corrosion)

应力腐蚀是一种应力与腐蚀互相作用的结果，因为在材料受到局部应力或应力作用不平均时，受到高应力作用的区域会形成阳极，而受到较低应力作用的区域则形成阴极，因此作用应力会使得腐蚀作用更为加速称为「应力电池(stress cells)」。

应力腐蚀发生在冷加工的材料时，高度冷加工的区域会较低度冷加工区域更具阳极性，另外，在材料存在裂缝的情况下，也会造成应力腐蚀。所以材料在制造加工的过程中，必须藉由热处理来降低其应力避免腐蚀，或是选用抗应力腐蚀的材料，例如，在海水环境可以钛合金取代不銹钢。在日常生活中，汽车板金经过敲击修整后会发生应力不均的现象，因而冷加工的部分较容易发生腐蚀，此部分可以藉由降低工作量或确实退火来防范。

7. 延晶腐蚀/晶粒间腐蚀(Intergranular corrosion)

延晶腐蚀又称晶粒间腐蚀，是在在金属晶界处发生局部腐蚀的一种现象。就电化学的观点来看，由于材料晶粒为阴极，而晶界一般为阳极，因此在均匀腐蚀的情况下，晶界处的腐蚀性仍然会稍大于晶粒处，如果在特殊清况下，材料的晶界抗蚀元素又相对减少，延晶腐蚀的现象就会发生。

最显着的例子莫过于304不銹钢在銲接过程中常会发生铬析出的情况，因为这种不銹钢如果加热或冷却到450°C~900°C之间(又称为敏感化温度)，在晶界就容易析出碳化铬(Cr₂₃C₆)，而使得该区域附近的铬含量不足，发生「贫铬区」的现象，由于「铬」是不銹钢防蚀的主要元素，加上晶粒与晶界的电池效应，因此可以在短时间内就发生延晶(晶间)腐蚀的现象。

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