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    船生銹了一定要修嗎?

    船舶在海洋環境中,難免會發生腐蝕。但是在船舶設計中往往已經考慮到腐蝕余量,而且船腐蝕了也不過是表面有銹跡,影響美觀,就算不刷涂料,碳鋼每年的腐蝕速率也不過是0.5mm左右,相較于動輒10mm以上厚度的鋼板,似乎涂料失效后一兩年也不會有什么大問題。但事實真的如此嗎?這就要從鋼鐵腐蝕的原因說起。




    俄巡洋艦帶著銹蝕執行任務

    鋼鐵廣泛用于工業各行各業,但是不可避免的,在空氣中暴露一段時間就會生銹。這是因為鐵和氧本身就是一對,在自然界中是以穩定的鐵礦石(Fe?O?/Fe?O?)的形式存在。鐵礦石屬于陶瓷材料,本身硬度(5~6)大于鐵的硬度(4~5),但缺乏韌性、不具備可鑄造性,無法直接作為生產生活工具為人類所用。為了運用鋼鐵的結構特性,人們通過冶金工藝手段,將鐵與氧剝離開來,形成高純度的鐵與碳、鎳、鉻等元素的合金,這就形成了現在我們所熟悉的鋼鐵。




    自然界中穩定存在的鐵礦石

     


    現在的鋼板

    雖然鐵和氧結合需求迫切,但是我們的船舶都有好好的刷油漆呀,甚至一些船還用上了不銹鋼和鋁合金等平時不會出現銹跡的材質,為什么船舶還會發生銹蝕呢?這是因為常用的環氧、聚氨酯、丙烯酸等涂層是樹脂和固化劑發生交聯反應形成的,這種交聯形成的結構,會存在一定的孔隙率,使得水分子通過滲透壓作為驅動力,侵入到涂層內部,進而到達鋼鐵表面發生腐蝕。 




    腐蝕介質通過涂層空隙滲透圖

     




    高分子結構圖

    而像不銹鋼、鋁合金等材質,在日常生活中使用時,一直能夠保持明亮的金屬光澤,這是因為鋁合金表面在空氣中很容易形成致密的氧化膜,而不銹鋼是由于在鋼中加入了大量的鉻元素(通常鉻的添加量在12wt.%以上,常見的SUS 304不銹鋼鉻含量為18-20wt.%),在不銹鋼表面形成連續且的Cr?O?膜,從而實現保護金屬基體的效果。但是這招在海洋中是行不通的,海水中存在大量的Cl-離子,憑借自身身材嬌小的特點,很容易穿過鈍化膜到達基體表面,并與基體發生反應,隨后就會導致局部鈍化膜失效,出現點蝕。




    不銹鋼點蝕機理示意圖

    點蝕一旦形成,蝕孔內的金屬就處于活化狀態,電位較負,作為陽極不斷溶解;而點蝕外部的金屬表面仍處于鈍化狀態,電位較正,作為陰極受到保護。這樣就在點蝕孔局部形成了腐蝕原電池。蝕孔內主要發生的陽極溶解反應有:




    蝕孔外鈍化金屬表面作為陰極主要發生吸氧反應:




    隨著陽極不斷溶解,腐蝕深度不斷加深,陰、陽極彼此分離,二次腐蝕產物在蝕孔口形成Fe(OH)?,阻礙外部的溶解氧擴散到陽極,在點蝕孔內形成氧濃差電池;同時,內部的金屬陽離子也不易擴散出孔外,造成孔內大量的正電荷聚集,并與Cl-形成氯化物和H+。H+濃度的持續增加使得點蝕孔底部呈現出強酸性環境,大幅加速金屬腐蝕溶解,使得點蝕孔越來越深,直至腐蝕穿孔。

    點蝕由于其特殊的動力學過程,伴隨著點蝕發展,蝕孔內形成酸性環境持續促進點蝕的進一步加深,在這種“自催化”的加速作用下,點蝕一旦發生,孔內溶解速度非常大,所以點蝕的危害性很大,經常突然之間導致事故的發生,是破壞性和隱患較大的局部腐蝕形態之一。點蝕是不銹鋼、鋁合金一類具有鈍化膜的基材在海洋中最為典型最為廣泛的一種腐蝕形式,而對于刷好油漆的碳鋼船板,涂層也會起到鈍化膜類似的作用,發生局部腐蝕。所以說,腐蝕不能只憑借鋼板減薄來衡量,當我們看到船體銹跡斑斑的時候,鋼板內部可能已經“千瘡百孔”了。

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