张添
华侨大学
你有没有想过，为什么每隔几年高速公路、桥梁、建筑、管道等设施就需要翻修一次？这种既花时间又费力的工作真的有必要吗？答案是：有必要！而这一切都要“归功”于随时都隐藏在我们身边的一种现象—腐蚀，从学术角度来说，腐蚀是一种通过化学反应或者电化学反应使材料性能退化的一种氧化现象，主要发生在金属物件上【1】。通俗来说，家里水龙头生锈、水管破损、自行车汽车螺钉生锈等这些现象都是由腐蚀造成的。腐蚀的过程是隐蔽且缓慢的，这导致我们经常会忽略它的存在，它就像是潜藏在我们身边的“间谍”，平常看起来人畜无害，但是时间一久了便会波及全身，后果不堪设想。根据美国国家腐蚀工程师协会 (NACE) 2016年的研究估计，全球每年由腐蚀造成的损失为2.5万亿美元，大约相当于全球GDP的3.4%【2】，而这个数字还在逐年增长。所以为了呼吁各国、工业界对腐蚀现象的重视，唤醒政府与民众对于腐蚀存在的认识，于2009年，WCO组织确定将每年的4月24日定为“世界腐蚀日”。由中国工程院柯伟院士主编的《中国腐蚀调查报告》指出腐蚀对例如汽车、石化、桥梁建筑等各行各业造成的损失都是十分巨大的，我国每年因腐蚀造成的经济总损失，约占我国GDP总值的5%左右【3】，这是什么概念？根据国家统计局数据显示，截至2019年，我国国内生产总指GDP为990865.0亿元，它的5%就是49543.25亿元，今年中国正在经历一场由新冠病毒带来的前所未有的挑战，靠着中国政府和民众的一致努力，中国终于迎来了这场“战役”的首胜！据中国财政部不完全统计，截至3月13日，我国在这次疫情中投入的资金高达1169亿元！通过对比发现，由腐蚀造成的经济损失甚至是这次疫情期间投入资金的40倍之多！
接下来让我们进入制造领域近距离观察腐蚀是一种什么样的存在。在现代金属加工过程中，由于刀具与工件之间的摩擦会产生大面积高温区域，对加工的精度会造成显著的影响，而切削液的使用可以有效的减小刀具与工件之间的摩擦，并且具有良好的散热和润滑作用，对降低切削力，增加刀具使用寿命具有十分重要的作用【4】。但是我们都只关心切削液的冷却和润滑性能，通常会忽略切削液对于工件的腐蚀作用，在实验中发现在使用E206水基切削液配合极压添加剂氯化石蜡加工不锈钢工件后，不锈钢工件表面出现明显锈斑，这显然会对不锈钢工件日后的使用埋下隐患。针对这个问题，我们设计了一系列实验对切削液腐蚀不锈钢工件进行研究。
在揭晓实验结果前，我们先来聊聊电池，电池是人类身处21世纪所必不可少的东西，我们知道它是一种具有储存与释放电的东西，早在18世纪40年代，荷兰莱顿大学的Pieter van Musschenbroek教授【5】就找到了一个办法可以把电荷储存在一个瓶子里面，命名为莱顿瓶，这被视作最早的电池原型。可想而知，在现代人看来，电池早就不是个高大上的黑科技了。接下来我们一起看看，电池的基本原理。图1所示为电池的基本原理图。从学术的角度上来说，我们知道电池是由于负极物质失去电子，宏观表现为负极的溶解，正极物质得到电子，并且与电解质形成回路，使电子能顺利在导线中通过，最终产生电流。打个比方，负极就像一个水龙头，而正极就像一个水槽，我们想把水从负极运到正极，就需要一根水管，也就是导线，这个时候，水能顺利由负极这个水龙头流向正极这个水槽了，但是随着时间的过去，负极水龙头里面的水越来越少，正极水槽里的水越来越多，这个时候就需要另外一个水泵把正极水槽里面的水又吸回负极这个水龙头，而这个水泵就是电解质，而水流就是电流。
图1 电池基本原理图
这个时候你可能要问了，电池的原理和腐蚀又有什么关系呢？接下来我们一起揭晓其中的答案。通过使用腐蚀领域常见的检测方法—Tafel极化曲线测量法，以及电感耦合等离子体质谱分析—ICP-MS，让我们知道了，加入了氯化石蜡这种含氯添加剂，会导致不锈钢表面金属铬被腐蚀溶解，使不锈钢失去防锈能力，不锈钢工件表面出现密密麻麻的小坑，如图2所示。
图2 不锈钢工件表面点蚀扫描电镜照片
氯化石蜡极压添加剂是通过在切削液过程中在工件表面产生一层氯化金属薄膜，如FeCl3来减小切削力，增强润滑作用，保护刀具提高工件表面质量，但是，在切削这样的高温高压环境下氯化石蜡会以FeCl3薄膜为催化剂，发生脱HCl的反应，形成不饱和双键，而HCl进一步腐蚀不锈钢基体，如Fe、Cr，这是第一个阶段的化学腐蚀，而在日后工件保存过程中，仍有切削液、氯化石蜡残留在工件表面，加之空气中的水气、O2、CO2，在不锈钢工件表面形成了一层电解质水膜，电解质内充满了Cl-、CO32-这样的自由离子，到了这里，仔细观察不难发现，这难道不就是个电池么？在电化学腐蚀领域我们通常用阴极、阳极来进行说明，不过这并不影响我们对它的理解。阳极对应电池中的负极，通常是钢铁中的铁、铬等金属，阴极对应正极，通常是钢铁中的碳或者杂质。残留的切削液与氯化石蜡和水气形成了一个天然的电解质环境，不锈钢自己本身就可作为导线，一个微型的天然电池就这么形成了。这也解释了为什么腐蚀“喜欢”发生在暴露于空气的环境下，以及充满盐碱质这样的环境中。通过对电池原理的研究我们发现，负极通常会发生溶解，而现代电池通过使用糊状电解质的方法解决了这个问题，但是在电化学腐蚀的这个例子中，阳极金属不断溶解，这便是第二个阶段的电化学腐蚀。整个腐蚀过程如图3所示。
图3 切削液腐蚀不锈钢工件机理示意图
腐蚀就在我们身边时刻发生着，影响着各行各业。任何行业都不能忽视腐蚀的存在，一个看似渺小无害的腐蚀现象，最终可能会成为一起重大安全事故的导火索。腐蚀虽然仍然在困扰着我们，但正由于我们仍未解决这个问题，这才会成为我们人类前进的动力！人类面对腐蚀这个“敌人”已有相当漫长的时间，但这并不妨碍我们“化敌为友”。科学防腐，科学用腐，才是我们最终需要努力的方向。
参考文献：
[1]黄永昌. 金属腐蚀与防护原理[M].上海交通大学出版社, 1989.
[2]NACE, International measures of prevention, application and economics of corrosion technology, NACE International, 2016.
[3]柯伟. 中国腐蚀调查报告[M].化学工业出版社, 2003.
[4]张康夫. 水基金属加工液[M]. 化学工业出版社, 2008.
[5]Silva C C , Heering P . Re-examining the early history of the Leiden jar: Stabilization and variation in transforming a phenomenon into a fact[J]. History of Science, 2018:007327531876841.