杜海河
北京科技大学
无论是在我们的日常生活中，还是在工业生产中，“生锈”即金属材料的腐蚀现象随处可见，小到像小螺丝、螺母的腐蚀，大到飞机、火车、桥梁等的腐蚀，无时无刻都影响着我们的生活。由金属的腐蚀而造成的腐蚀破坏随处可见，腐蚀事故频频发生，这除了是腐蚀本身所具有的自发性质外，很大程度上还是因为人们对腐蚀的危害性估计不足，对腐蚀与防护的重要意义认识不深，对腐蚀与防护科学缺乏应有的知识。据统计，我国每年因金属腐蚀引起的经济损失在我国的GDP中占比达到了3.34%-5%，金属的防腐工作已经占据了举足轻重的地位，对环境、经济、安全都有着重大的影响。
“生锈”-腐蚀(图片来源于网络)
一、“生锈”—金属腐蚀
日常生活中，我们所说的“生锈”是指金属(或合金)在周围环境介质(空气、水、酸碱盐等)的作用下所引起的破坏或者失效现象。一般的，按照腐蚀过程将金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀;按金属腐蚀破坏区的分布，分为全面腐蚀和局部腐蚀;还有按性质可分为干腐蚀和湿腐蚀等。
二、“防锈”—金属腐蚀防护
“防锈”即保护金属不被腐蚀，金属的“生锈”是在不利的环境下发生的，要想“防锈”，就是要控制金属材料的表面不与环境接触，提高金属的“抗锈”能力。目前，在世界上广泛应用的防腐蚀技术主要是材料的合金化处理、表面隔离、电化学防护及缓蚀剂。
金属材料的合金化处理，其实就是通过向金属材料中加入一些合金元素，来改变金属的内部组织结构，提高金属材料的耐蚀性能。就像我们生活中的钢铁容易腐蚀生锈，而不锈钢就不容易生锈，这就是因为向钢铁中加入了铬、镍等合金元素，使得钢铁合金化，表面自动长处一层保护膜而成为了不锈钢，提高了钢的“抗锈”能力。
电化学防护，是指将被保护的金属作为腐蚀电池的阴极，使其不受到腐蚀的一种防腐方法。金属处于环境中，就会发生一种无形的反应，“生锈”就是因为金属在这种反应中做了一个阳极，被腐蚀掉了。常用的这种发法，比如在钢铁上贴上一些锌片，由于锌比较活泼，在腐蚀电池中属于阳极，会优先腐蚀作为阳极的锌片，从而保护了钢铁。
表面隔离防腐，即在金属表面形成一种覆盖层，将金属材料包裹起来，使得金属材料与腐蚀介质隔离开来，达到防腐的目的。这也是日常生活中，我们应用最广泛、最有效的防腐方式，比如最常见的喷油漆，就是将油漆涂抹到金属材料表面，形成了一层油漆保护层，隔开了金属与空气、水介质等的直接接触，降低腐蚀效率。
缓蚀剂则是在水或气体等腐蚀介质中加添化学物质，使得介质的腐蚀活性降低或占据金属的活性点，从而达到降低腐蚀速度的目的。
下面会主要介绍后两类方法。
三、表面保护层
1.金属保护层：它是以一种耐腐蚀性较强的金属或合金镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。就是通过电化学，将一种更加“抗锈”的金属镀到被保护的金属表面。例如，钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等不易被腐蚀的金属，这些金属常因氧化而形成一层致密的氧化物薄膜，从而隔开水和空气等对钢铁的腐蚀。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀等方法。日常生活中汽车外壳通常采用此方法。
电镀锌原理(图片来源于网络)
如上图所示，通过外加直流电源，以锌(Zn)为阳极，被镀工件为阴极，通过电化学反应，阳极锌失去电子变成锌离子，电镀液中的锌离子在工件周围发生阴极反应，得电子形成锌原子，附着到工件上面，对工件起到保护作用。
2. 非金属涂层：用非金属物质如油漆、喷漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、沥青、高分子材料(如塑料、橡胶、聚酯)等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。比如在钢铁上涂抹机油、凡士林、油漆等，使得金属材料被完全覆盖、隔离，可有效的防腐。
喷漆(图片来源于网络)
3.化学转化膜保护层：将金属材料置于特定的化学介质中，使得表层金属与介质中的阴离子发生反应，生成牢固的稳定化合物，得到一层保护性的化学转化膜。一般包括金属的磷化处理、氧化处理。
氧化膜附着(图片来源于网络)
四、“防锈”小能手—缓蚀剂
在腐蚀介质中加入少量的缓蚀剂，会大大的降低金属的腐蚀速率，又叫腐蚀抑制剂。缓蚀剂用量少，简单有效，也是目前防腐的主要手段之一，通常在封闭体系中使用。不同类型的缓蚀剂通过吸附成膜、沉淀成膜、氧化成膜以及金属络合等形式，缓蚀剂加入后，会形成一层保护膜覆盖在金属表面，起到保护金属的作用。
按照保护膜的性质可以将缓蚀剂分为氧化膜型、沉淀膜型以及吸附膜型。
(1)氧化膜型：缓蚀剂与金属反应生成氧化物膜，形成的保护膜薄而致密，与金属结合牢固，具有好的保护效果。铬酸盐就是一种典型的氧化模型的缓蚀剂，经常用来对钢铁起“防锈”的作用，铬酸盐可将碳钢表面氧化成Fe2O3，并与Cr2O3一起形成一层极薄的氧化膜，牢固地结合在碳钢上。如重铬酸钾(K2Cr2O7)。出于对环保的考虑，六价铬开始逐步被限制和淘汰。
重铬酸钾(K2Cr2O7)(图片来源于网络)
(2)沉淀膜型：沉淀膜型缓蚀剂能和溶液中某些物质反应形成一层难溶的沉淀物或络合物，沉积在金属的表面阻止腐蚀进行，这类膜较厚，但是呈多孔型，与金属的结合较差，保护效果不好。聚磷酸盐是最典型的一类，目前应用较多的有三聚磷酸钠(Na5P3O10)。
三聚磷酸钠(Na5P3O10)(图片来源于网络)
(3)吸附膜型：此类缓蚀剂可以吸附在金属表面，形成保护膜，往往都是有机化合物。吸附型缓蚀剂在酸性介质中保护效果好，要求金属表面要清洁。苯并三氮唑(BTA)是一种超强缓蚀剂，应用很广泛。
苯并三氮唑(BTA)(图片来源于网络)
五、总结
现如今，金属及合金的应用已经遍布生活中的各行各业，金属腐蚀屡见不鲜，对于金属腐蚀的防护具有重大意义，了解研究金属的腐蚀与防护，对社会的发展，人们的安全有很大的意义，上面所介绍的“防锈”技术，都是目前最常用的，我们一定要重视金属腐蚀，做好腐蚀防护措施。