2019/10/20,材料保护学,内容提要,第1章.概述 第2章.耐蚀材料 第3章.介质处理和缓蚀剂 第4章.表面覆盖层 第5章.电化学保护,2.2 合理选材,根据不同介质和使用条件，在设计阶段正确选择和使用耐蚀材料,设备的工作条件,工作介质（成分、浓度）,外界条件（温度、压力、流速）,设备类型与结构（结构特点、用途、计划寿命等）,环境影响（可能发生的腐蚀类型，注意局部腐蚀影响）,产品和工艺的特殊要求（污染、有毒）,2.2 合理选材,材料的性能,力学性能：强度、韧性、塑性,物理性能：密度、传热性、导电性、热膨胀系数,耐蚀性能：挂片试验、手册数据,Corrosion Data Survey，NACE编著。包括26种金属材料、35种非金属材料在1000余种腐蚀介质中的腐蚀数据，已出光盘版。,经济性：材料保护费用腐蚀经济损失（包含间接损失）,2.2 合理选材,硫酸溶液简单选材图（腐蚀速率20mpy),2.2 合理选材,硫酸溶液选材图（腐蚀速率20mpy),2.2 合理选材,2.2 合理选材,2.2.1 金属耐蚀合金化途径,合金的腐蚀速率,腐蚀电池推动力,腐蚀体系电阻, 提高合金的热力学稳定性,添加平衡电位较正的合金（即热力学稳定性高） 如：Cu中加Au，Fe中加Ni等,注意：不是加入正电性元素合金电位就正移, 阻滞阴极过程,（1）减少合金中的活性阴极面积,以析氢腐蚀为例，减少阴极面积，即降低了析氢速率，减缓了腐蚀,如：减少Zn中杂质Fe的含量可减少Zn3Fe的阴极数目,能使组织均匀化的热处理工艺可提高合金的耐蚀性,如：杜拉铝(Al-Cu合金)淬火后组织为单相固溶体，耐蚀性增强,（2）加入过电位高的合金元素,如：碳钢、铸铁中加入析氢过电位高的As、Sb、Sn等可显著降低在非氧化性酸中的腐蚀速率,2.2.1 金属耐蚀合金化途径, 阻滞阳极过程,（1）减少合金中的阳极面积,理论上成立，只有强化相为阳极区可行，无实际应用价值,（2）加入易钝化元素, 加入促使生成保护性腐蚀产物膜的元素,如：不锈钢Fe+1225%Cr 哈氏合金Ni-Mo 蒙乃尔合金Ni-Cu,增大R值,如：钢中加入Cu和P，生成致密非晶态羟基氧化铁FeOx(OH)3-2x,2.2.1 金属耐蚀合金化途径, 碳钢和低合金钢,2.2.2 耐蚀合金材料,除了在强腐蚀性介质中外，钢铁通常对很宽范围的腐蚀介质具有某种程度的耐蚀能力,2.2.2 耐蚀合金材料, 碳钢和低合金钢,C：钢中常以碳化物形式存在，是主要强化元素。 耐蚀性：在非氧化性的酸性介质中，碳含量增大，腐蚀加速； 在氧化性介质中，碳含量可影响到钢的钝化。,Mn：钢主要强化元素。可溶入铁素体中，也可细化珠光体组织使 其强化，提高钢的强度。 耐蚀性：Mn降低钢的抗腐蚀能力。在钢铁常规范围内Mn对 钢的性能无显著影响,2.2.2 耐蚀合金材料,Si：可溶入铁素体中起固溶强化作用 耐蚀性： Si与Al、Cu、Mo等元素配合使用时，提高钢的抗 H2S及弱酸腐蚀能力,S：产生热脆 耐蚀性：降低钢的耐蚀性，诱发孔蚀和硫化物应力腐蚀破裂,P：强化铁素体，产生冷脆 耐蚀性：含量增加降低普通碳钢的耐蚀性； P是提高钢耐大 气腐蚀最有效的合金元素之一（与Cu联用，含量0.15%）,Cr：强化元素。 耐蚀性：提高钢的抗H2S、NH3、CO2、H2O、HNO3、高温 高压H2及抗大气、海水腐蚀的能力；对碱、氯化物 和硝酸盐腐蚀无效,2.2.2 耐蚀合金材料,Ni：强化铁素体，改善钢的抗低温冲击能力 耐蚀性：提高钢对酸、碱和海水的耐蚀能力，增强钢耐大气腐 蚀及抗腐蚀疲劳的能力；对H2腐蚀无效，易腐蚀破裂,Mo：提高钢的强度和高温强度，防止钢的回火脆性 耐蚀性：提高钢抗H2S、NH3、CO、H2O、高温高压H2和弱还 原酸腐蚀的能力,Al：用以脱氧和细化晶粒 耐蚀性：提高钢对大气、NH3-CO2-H2O、H2S系统介质的抗腐 蚀能力和抗弱酸腐蚀的能力；可固定氮，防止腐蚀破裂,Cu：含量过高会造成热脆 耐蚀性：提高钢的耐大气及海水腐蚀的能力，尤其与P联合使用 时作用更强。可抵消S的有害影响,2.2.2 耐蚀合金材料,Ti：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀的能力，与其它元素配合使用 能提高钢抗大气、海水及H2S腐蚀的能力,V：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀、抗NH3-C02-H2O腐蚀及抗弱酸 腐蚀的能力，与其它元素配合使用能提高钢抗H2S腐蚀的能力,Nb：与其它元素配合使用，藉以提高钢抗大气、海水、H2S及高温高 压H2-N2-NH3腐蚀的能力,W：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀的能力，与V、Sn等元素配合 使用时提高钢抗NH3-CO2-H2S-H2O系统腐蚀的能力,Sn、As、Sb：与其他元素配合使用，如与Cu配合作用可减低钢在稀 硫酸和稀盐酸中的腐蚀速率。Sn与W、V配合使用可 提高钢抗NH3-CO2-H2S-H2O系统腐蚀的能力, 不锈钢,2.2.2 耐蚀合金材料,不锈钢系不锈耐酸钢的简称 在大气、水蒸汽和淡水等弱介质中耐腐蚀或具有不锈性的钢种称为不锈钢；在酸、碱、盐等化学腐蚀介质中耐腐蚀的钢种则称为耐酸钢 由于化学成分上的差异而使它们耐蚀性能不同，不锈钢一般不耐酸，而耐酸钢一般则均具有不锈性。,2.2.2 耐蚀合金材料,2.2.2 耐蚀合金材料, 铝及铝合金,氧化膜对于处于固态和液态的铝均有良好的保护作用。当其受到损坏时，只要有足够的氧存在，氧化膜还可以“自愈”。只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会受到破坏。 铝在淡水、海水、浓硝酸、各种硝酸盐、汽油及许多有机物中都具有足够的耐蚀性。但在还原性环境、强酸、强碱中却不耐蚀,铝是活泼金属，其标准电位-1.67V。在空气中极易氧化，生成致密而坚固的氧化膜（Al2O3），厚度约为51010-9m，熔点2050,2.2.2 耐蚀合金材料, 铜及铜合金,铜及其合金的品种很多：分为四类：紫铜、黄铜、青铜和白铜,铜的标准电位0.34V，在空气中较稳定，耐蚀性较好。,黄铜：铜-锌合金，可加入少量锡、锰、铝等元素改善性能 锡能显著提高其对海水的耐蚀性，锡黄铜又称为海军黄铜； 加1-2的锰能明显提高黄铜的工艺性能、强度和耐蚀性； 铝能提高黄铜强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低,青铜：早期铜-锡合金，除锌、镍以为的其它铜合金 锡青铜只有添加磷、锌、铅、镍和其它元素才有应用意义； 铝青铜耐腐蚀性能优于纯铜和锡青铜，耐腐蚀疲劳（弹簧）,白铜：铜-镍合金,2.2.2 耐蚀合金材料, 镍及镍合金,镍的标淮电位-0.25伏，比铁正，比铜负,在稀的非氧化性酸中例如在HCl，H2SO4中没有溶解氧的情况下有高的腐蚀稳定性。在氧化性的条件下，特别是在中性的和碱性的溶液中，镍能钝化，耐蚀性显著提高,镍基耐蚀合金：蒙乃尔合金（70Ni，30Cu) 哈氏合金（70Ni，30Mo）, 钛及钛合金,继不锈钢和镍基合金之后，钛在化工装置中作为耐蚀结构材料,“腐蚀是从绘图板开始的”,结构设计 机械加工设计 合理工艺设计,2.3 合理防腐设计,防腐蚀设计,2.3.1 结构设计,（1）尽量简单并合理,（2）便于制造、维修和更换,（3）消除滞留液、沉积物引 起的腐蚀,2.3.1 结构设计,（5）避免冷凝液引起的腐蚀 （露点腐蚀）,（4）防止不利的连接、接触方式 引起的腐蚀,2.3.1 结构设计,（7）避免应力以降低应力腐蚀 破裂的倾向,（6）避免环境差异引起的腐蚀,2.3.1 结构设计,（8）避免腐蚀介质流动引起的腐蚀,易引发磨蚀,2.3.1 结构设计,（1） 焊接,2.3.2 机械加工设计,消除残余应力，可进行去应力退火 抑制腐蚀环境，采用阴极保护、加缓蚀剂、去除溶解氧 选择在特定介质中抗应力腐蚀的材料,焊接时表面缺陷、组织变化及残余应力是产生腐蚀的主要原因,2.3.2 机械加工设计,（2）铸造,（3）冷热加工,铸件耐蚀性比塑性加工件差，主要原因是铸造质量问题,铸造缺陷：缩孔、缩松、气孔、砂眼和夹渣,铸件厚度相差太大，易存在内应力，且易发生缩孔,冷加工：回复温度以下，残余应力大 热加工：再结晶温度以上，残余应力小，但可能引起脱碳，不 锈钢敏化温度区有晶间腐蚀倾向,2.3.3 合理工艺设计,除去气体中的水分以降低腐蚀性,气体中夹带水分时腐蚀严重，增加冷却和干燥设备以除去气体中的水分,增高温度使气体中水分蒸发或不能冷凝，以降低腐蚀,加入蒸汽预热器，提高温度蒸发水分,设计化工工艺流程过程中，充分考虑腐蚀的可能和防护措施,第3章 介质处理和缓蚀剂,介质处理,目的：改变介质的腐蚀性，以降低介质对金属的腐蚀性,方法：除去介质中的有害成分；调整介质的pH值；降低气 体介质中的水分,缓蚀剂,在腐蚀性介质中添加少量具有特殊性质的物质达到降低腐蚀速率的方法,特点：用量小，投资少，使用方便，设备简单, 除氧,3.1.1 除去介质的有害成分,3.1 介质处理,（1） 热力除氧（设备：除氧器）,去除引发腐蚀的介质，如O2、Cl-、H+、H2O、SO2等,重要的去极化剂，能使大多数金属腐蚀，除氧目的是去除溶解在水中的氧，防止氧去极化腐蚀过程,水加热至沸点可使水中溶解气体分离出来，不仅除氧，还可以去除CO2和碳酸根,原理：亨利定律（气体在水中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比）,3.1.1 除去有害成分, 化学除氧,加入化学药品除氧。要求：与氧反应快，药品和产物无腐蚀性,联氨除氧还原成水,工作条件：温度200，pH=911，40%N2H4H2O溶液，联氨过量,副反应，能起一定阻垢作用,联氨过量易挥发、有毒、易燃烧，使用时需慎重,3.1.1 除去有害成分, 除氯离子： 稳定，很难去除，费用高，工业很少使用,亚硫酸钠除氧生成硫酸钠,不足：会增加水中的盐分，高温分解会产生H2S和SO2有腐蚀性 高压锅炉不使用,沉淀盐：Ag+、Hg+与氯离子生成沉淀去除； 分离拦截：蒸发或膜过滤去除； 氧化还原：电解、电渗析等还原手段 离子交换：离子交换树脂,3.1.2 调整pH值, 加氨处理中和水中的酸性物质,工业冷却水和锅炉给水必须保证pH7，否则会发生氢去极化腐蚀，且金属材料表面不易生成保护膜,注意：加氨量使给水pH值在8.59.2为宜 给水中氨量保持在1.02.0mg/L以下 有氧存在的话会加速铜腐蚀, 加胺处理可克服黄铜腐蚀,3.1.2 调整pH值,目的：减少金属表面形成冷凝水膜的机会，降低金属在气体中的腐蚀,（1）干燥剂吸收 常用干燥剂：硅胶、活性炭、氧化铝、生石灰等 （2）冷凝法预先除去水汽 氯碱厂的湿氯气可先冷凝除去部分水，再用浓硫酸干燥 （3）提高气体温度降低湿度 化肥工业中半水煤气热交换器中水煤气由100加热至 120，消除水分，减少对热交换器的腐蚀,3.1.3 降低湿分,方法,谢谢各位同学！,