1、小孔腐蚀的定义
金属的大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微。而局部地方出现腐蚀小孔并向纵深发展,这种现象称为小孔腐蚀,简称为孔蚀或点蚀。
小孔腐蚀是一种破坏性和隐患很大的腐蚀状态。孔蚀时.虽然失重不大,但由于阳极面积很小,因而腐蚀速度很快,严重时会造成管壁穿孔,造成油、水、气泄漏,有时甚至造火灾、爆炸等严重事故。一般金属表面都可能产生孔蚀。镀有阴极保护层(Sn,Cu,Ni)的钢铁制品,如镀层不致密,则钢铁表面可能产生孔蚀。阳极缓蚀剂用量不足,则未得到缓蚀剂的部分成为阳极区,也将产生孔蚀。
2、小孔腐蚀的特征
(1)小孔腐蚀的产生与临界电位有关。只有金属表面局部的电极电位达到并高于临界电位时,才能产生小孔腐蚀,该电位称为小孔腐蚀电位或击穿电位(Ebr)。
(2)小孔腐蚀发生于有特殊阴离子的介质中,这些特殊阴离子导致金属表面膜的不均
匀破坏。溶液中存在活性阴离子是发生小孔腐蚀的必要条件。
(3)小孔腐蚀多发生在表面生成钝化膜的金属或合金上,如不锈钢、铝及铝合金等,在这些金属表面局部钝化膜发生破坏,裸露基体金属区域与膜未破坏区域形成小阳极—大阴极的活化—屯化腐蚀电池,腐蚀向纵深发展成为蚀孔。
3、小孔腐蚀机理
小孔腐蚀包括小孔成核和小孔生长两个过程。
(1)小孔成核 根据钝化吸附理论,蚀孔是由于腐蚀性阴离子在钝化膜表面上吸附后穿过钝化膜所致。在小孔腐蚀的初始阶段,一般有一个诱导期。这时由于处于钝态的金属仍有一定的反应能力,即钝化膜的溶解和修复(再钝化)处于动态平衡。当介质中含有活性阴离子(如氯离子)时,平衡受到破坏,溶解占优势,其原因是氯离子优先选择性地吸附在钝化膜上,把氧原子挤掉,然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物,在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑,孔径多数在20~30μm之间。这些小孔坑被称为孔蚀核。
在大多数情况下,蚀核将继续长大。当孔蚀核长大到一定临界尺寸时(一般孔径大于30μm),金属表面出现宏观可见的蚀孔,蚀孔出现的特定点称为孔蚀源。
在外加阳极极化的条件下,介质中只要含有一定量的氯离子便可能使蚀核发展为蚀孔。在自然腐蚀的条件下,含氯离子的介质中有溶解氧或阴离子氧化剂(如FeCl3)时,亦能促使蚀核长大成蚀孔。氧化剂能促进阳极过程,使金属的腐蚀电位上升至孔蚀临界电位以上。
(2)小孔生长 现以不锈钢在充气的含氯离子的介质中的腐蚀过程为例加以说明。
在小孔生长初期,孔内发生金属溶解:
Fe→Fe2十+2e
金属离子浓度升高并发生水解:
Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+,生成氢离子,使附近溶液中的pH值下降,形成一个强酸区,加速了金属的溶解,使腐蚀加剧。
同时,在邻近孔内发生氧的还原:
1/2O2+H2O+2e→2OH-
由此可见,在蚀坑内部阳离子的过多积累,使氯离子向孔内迁移而富集;金属离子的水化,使孔内溶液酸化,随后使致钝电位升高;孔内溶液浓度加大,导电性提高,氧的供应困难(除了扩散困难外,还由于氧在孔内溶液中溶解度降低)。所有这些,均阻碍了孔内金属的再钝化,也就是说,孔内金属处于活化状态。
在蚀坑口部:形成一层水化物的外皮,阻碍了扩散和对流,使孔内溶液得不到稀释。
在蚀坑周围:由于腐蚀电流而得到阴极保护;由阴极反应产生的碱能促进钝化,因而阻抑了蚀坑周围金属的腐蚀。使阴极电位保持在孔蚀电位之上,而孔内电位处于活化区,因而使小孔进一步加深。
4、影响小孔腐蚀的因素
(1)金属的性质
金属的孔蚀电位越高。则越不容易发生小孔腐蚀。具有自钝化特性的金属或合金,对孔蚀的敏感性较高。钝化能力越强差则敏感性越高。
(2)金属的表面状态 一般来说,光滑和清洁的表面上不易发生孔蚀,而积有灰尘或各种金属和非金属杂质的表面,则容易引起孔蚀。经冷加工的粗糙表面或加工残留在表面上的焊渣,在这些部位上往往易引起孔蚀。
(3)环境因素 大多数的孔蚀都是在含氯离子或氯化物的介质中发生的。实验表明,在阳极极化条件下,介质中只要含有氯离子便可使金属发生孔蚀。所以,氯离子又可称为孔蚀的“激发剂”。而且随着介质中氯离子浓度的增加,孔蚀电位下降,使孔蚀容易发生。
在碱性介质中,随pH值升高,使金属的Ebr值显著的变正,减缓孔蚀的发生。在酸性介质中pH值的影响有不同的看法,一些研究者发现随pH值的升高,Ebr值稍有增加,另一些研究者则认为pH值实际上对Ebr值没有影响。
介质温度升高,金属的Ebr值显著降低,使孔蚀加速。
介质流动将减慢孔蚀的发生。介质的流速增大.一方面有利于溶解氧向金属表面的输送,使钝化膜容易形成;另一方面可以减少沉积物在金属表面沉积的机会,从而减少孔蚀发生的机会。