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机械加工中金属材料腐蚀与防护措施田继强

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第12期作者：田继强

[导读] 摘要：金属材料在强度、刚度等方面的表现较好，但腐蚀现象较为普遍，会对某个区域的零部件甚至整个系统造成不良影响。

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        摘要：金属材料在强度、刚度等方面的表现较好，但腐蚀现象较为普遍，会对某个区域的零部件甚至整个系统造成不良影响。因此，以合理的方式做好防腐工作具有显著意义，是延长设备寿命的重要途径。本文对机械加工中金属材料腐蚀与防护措施进行探讨。
        关键词：金属材料；腐蚀现象；腐蚀防护
        引言：目前，机械金属材料被广泛应用于医疗、建筑、汽车制造、工业生产等各个方面，很多发达国家非常重视金属材料的抗腐蚀性能研究，由此，我们通过大气自然环境测试和人工加速度实验测试的方法，来研究影响机械金属腐速率的外部因素，以及内力作用下机械金属腐蚀形态的变化研究，并以此有针对性的对机械金属进行防护，做到抗腐蚀性能的最大提升，才能达到准确评估金属材料的抗腐蚀性及实际使用性。
        1腐蚀的形成和类型
        所有的材料都谋求固定或恢复到一个稳定和低能量状态。大部分金属以金属氧化物的形成处于低能量状态。金属直至贵重金属如，金、银和铂，在自然界均已氧化物或其他化合物形成出现。通过复杂的方法才能获取金属。而当金属违背意愿回到“不洁净”状态时，称之为腐蚀。根据腐蚀的原因和过程，可以把腐蚀划分为两种重要形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。根据腐蚀的现象图，又可将腐蚀细分为多种类型，例如均匀的腐蚀和局部腐蚀，均为机械切削产生的腐蚀和抗腐蚀。腐蚀类型现象图常须结合多种零件才能准确识别（例如接触腐蚀）。对切削技工而言，典型的腐蚀现象是生锈引起的均匀的面腐蚀。机器上最常见的腐蚀损害是以电化学腐蚀为基础的损害。
        2腐蚀的原因
        金属材料的腐蚀成因中，极为关键的则是电化学稳定性，若电位值为负，材料所具有的稳定性则偏低，其在负值越大的情况下不稳定性则越强，金属离子化更为明显，导致材料发生明显腐蚀。此外，金属合金内部各成分也会对材料的质量造成影响，不同于单项合金材料的是，多项合金发生腐蚀的概率相对更高，原因在于各项的物化性质存在较明显的差异，在遇到电解液后产生的电位也有所不同。例如，在热处理作用下，材料将出现多种金相组织，当得到淬火处理后，各类组织均匀排列，此阶段具备较强的耐腐蚀能力；但进入到回火阶段后，此过程中碳物质的沉淀相析出量明显增多，导致材料的耐腐蚀性发生明显的衰退，若金属表面缺乏平整性，此时发生腐蚀的概率将明显加大。并且，金属在加工阶段将处于较极端的受冷或受热环境中，对于非氧化性的酸性盐类，此类性质的物质将更容易对金属材料的稳定性造成影响，使其发生明显的腐蚀，这一现象明显超过在碱性盐类环境中。
        3机械金属材料抗腐蚀研究
        因环境的差异，机械金属材料所接触到的介质发生变化，此时也将出现不同程度的腐蚀现象，为探讨其抗腐蚀速率，以人工加速度测试的方式为主，综合考虑大气自然环境情况，得知金属抗腐蚀速率极容易受到温度、湿度、酸碱度的影响。为加深认知，下文通过实验的方式作进一步论证。
        3.1仪器和实验材料准备
        选择金属样品，经过打磨处理后使其呈长方形，全面清理残留在表面的锈迹，在足够洁净后使用游标卡尺检测，确定外形尺寸。将处理好的样品置入丙酮中，在得到浸泡处理后使用无水乙醇清理，以干燥的状态进行称重，再放入玻璃器皿（具有密封、干燥的特点）内，用于实验。
        3.2腐蚀实验
        选择4份均为30g的酸性溶液，各自对应的浓度等级分别为0%、30%、60%、90%，再转移到箱式电阻炉中，分别调节温度、湿度和时间，使各组在三项指标上具有差异性，从而展开温控加湿加热抗腐蚀实验。如公式（1），经计算后确定金属样品的腐蚀速率：Wc=（W1-W2）/S•T•D•8.76（1）
        式（1）中：W1-未腐蚀样品的质量，g；W2-发生腐蚀后样品的质量，g；S-样品与介质的接触面积，m2；T-腐蚀时间，h；D-密度，g/cm3。以温度为变量，持续36h的腐蚀实验，期间每4h测量一次，整理所得结果，具体见表1。
        表1 取样分析

        结合表1内容得知，在温度恒定的条件下，伴随酸性浓度的增加，样品所发生的腐蚀程度逐步提高。分析此现象的原因，在时间延长之下，将逐步对样品表面的钝化层造成侵蚀，导致材料内部的金属颗粒大量外露，促使溶液与金属表面的接触面积较初始状态明显增加，此时反应速度加快。从温度的角度来看，伴随温度的提升，产生的腐蚀速率也表现出随之加快的趋势，这与材料的电化学反应速率加快有较明显的关联，并且溶液内部对流速度加大，氧化和去极化发生速率更高，表现出极为明显的腐蚀现象。基于上述对机械金属的分析得知，其抗腐蚀性在不同温度中的表现存在差异，以90℃以内时的抗腐蚀效果最佳，后续在温度、湿度、酸度增加的情况下，材料所具备的抗腐蚀能力随之下降。
        4腐蚀防护
        零件的受腐蚀途径较多，加工、存储等工作中若保护不当均容易发生腐蚀。针对此特点，需以合理的方式做好防护，尽可能减少金属材料的腐蚀。
        4.1切削加工中腐蚀防护
        显然，潮湿空气环境中金属腐蚀概率较大，因此将两者完全隔绝后则可以起到防腐蚀的效果，但从实际情况来看，生产中并不具备完全隔绝潮湿空气的条件，更为妥当的是尽可能限制腐蚀，主要途径有：
        （1）内部保护：掺入耐腐蚀性能较好的合金元素，提高金属材料自身的耐腐蚀能力。
        （2）外部保护：通过刷漆、增设金属覆层的方式实现对材料外围的防护，使材料隔绝空气。
        4.2机械金属抗腐蚀性能与防护方法
        通过实验分析，机械金属的腐蚀来源于外部环境和内部作用力，外部环境主要影响金属腐蚀的速率，内部作用力主要影响金属的内部形态，为了提高金属的抗腐蚀性，就要从内外两个方面着手。首先，外部着手。腐蚀对金属材料表面的破坏不仅影响产品的使用，还会造成资源、能源的浪费，严重的还会造成事故和污染，带来巨大的经济损失。表面纳米化可以有效的提高金属的抗腐蚀性，他的原理是在金属表面形成一层有一定厚度的纳米保护层，纳米晶体组织具有很高的活性和对周围环境的敏感性，当环境变化时，例如温度、湿度、酸碱度改变时，纳米层通过迅速的钝化来有效的降低腐蚀的速率。因此，纳米层可以有效的对金属表面起到防护的作用，提高抗腐蚀性能。其次，内部着手。为防止机械金属的应力腐蚀，应先进行合理选材，尽量采用抗应力侵蚀的不锈钢合金材料，例如高纯度奥体氏合钢、超纯铬锌钢、高纯镍奥体氏合钢等，还应合理设计零部件，做到结构合理，减少集中应力，在介质中添加缓蚀试剂等都能有效防止应力腐蚀，提高金属抗腐蚀性。防止电化学腐蚀的方法主要是覆盖保护法，用抗腐蚀性能相对良好的金属合金或非金属复合材料把耐腐蚀性能相对较差的材料外层覆盖上，利用电喷镀、化学镀、热浸镀等手段将涂层覆盖在金属表面，这种金属覆盖层根据他们在介质中的作用可以分为阳极和阴极覆盖层，阳极覆盖层为基体金属的电位负极，一般使用的材料是锌、铝、铬等，阳极保护就是把需要保护的金属材料与外加电荷正极连接上，使金属阳极保证到一定的电位，维持其相对稳定的钝态，抗腐蚀性提高，使设备原料得到有效保护；阴极覆盖层为基体金属的电位正极，一般使用的材料是铜、镍、锡等，阴极保护就是把需要保护的金属材料与外加负电荷连接上，使金属阴极保证到一定电位，使金属溶解速度减缓，抗腐蚀性提高，保护机器设备。
        结束语
        简言之，金属材料的综合使用效果较好，在机械制造业得到广泛的应用，但金属材料容易受到温度、酸碱度等因素的影响，从而发生不同程度的腐蚀现象，不利于材料的正常使用。在生产制造过程中，需通过多种手段防护金属材料，提高其耐腐蚀能力。
        参考文献
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