1、1金屬表面氧化與防護(hù)金屬表面氧化與防護(hù)——鐵表面的氧化與防護(hù)鐵表面的氧化與防護(hù)摘要摘要隨著社會(huì)的進(jìn)步，時(shí)代的發(fā)展，鐵的應(yīng)用越來(lái)越廣，但是鐵表面氧化卻一直是讓人們煩惱的問(wèn)題。因此對(duì)鐵表面氧化的研究不僅在理論上而且特別是在實(shí)際應(yīng)用上有重大意義。每年因鋼鐵大量氧化而造成的損失是巨大的，多年來(lái)對(duì)鐵表面和氧相互作用后在近表面區(qū)生成什么氧化物進(jìn)行了很多表面分析和表面研究，從而通過(guò)這些分析研究結(jié)果來(lái)強(qiáng)化鐵表面，對(duì)鐵表面進(jìn)行強(qiáng)化保護(hù)。關(guān)鍵詞：鐵；氧化反

2、應(yīng)；界面；銹蝕；防護(hù)人們最早認(rèn)識(shí)的鐵是隕石中的鐵，古代埃及人稱(chēng)之為圣物，此時(shí)的鐵主要用于祭祀或是用于作飾物，這是人類(lèi)對(duì)鐵的最早應(yīng)用，而人工鐵的出現(xiàn)則相對(duì)較晚，距今約三千四百年，最早鍛造出人工鐵，約公元前一千年，古希臘和古羅馬開(kāi)始普遍使用鐵制的工具和兵器，，約公元前五世紀(jì)，歐洲大陸普遍使用鐵器，中國(guó)最早使用人工鐵器始于春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，從公元前一千四百年前起，人類(lèi)開(kāi)始逐步掌握比較熟練的也煉鐵的技術(shù)，鐵從此被大量生產(chǎn)。繼西臺(tái)帝國(guó)之后，小亞細(xì)亞、

3、埃及、美索不達(dá)米亞平原相繼進(jìn)入鐵器時(shí)代。隨著人們對(duì)鐵應(yīng)用的廣泛，人們對(duì)鐵使用起來(lái)的問(wèn)題也逐漸關(guān)注，如何對(duì)鐵表面進(jìn)行防護(hù)是近幾年人們研究的焦點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)鐵的防護(hù)也具有非?？陀^的使用價(jià)值。金屬的銹蝕有化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕兩種，鐵在空氣中的銹蝕屬于電化學(xué)銹蝕，即鐵和電解質(zhì)溶液作用而發(fā)生氧化的過(guò)程。鐵在空氣中銹蝕的機(jī)理。鐵銹不象其它金屬的銹蝕產(chǎn)物那樣形成緊附在金屬表面上的致密的保護(hù)膜，而是疏松多孔:當(dāng)鋼鐵跟水接觸或吸收空氣中的水分在表面形成水膜

4、時(shí)，電化學(xué)腐蝕便開(kāi)始進(jìn)行，腐蝕過(guò)程是無(wú)數(shù)微電池作用的過(guò)程。鋼鐵中的鐵作陽(yáng)極，雜質(zhì)作陰極，溶有SO2、CO3酸性水溶液為電解質(zhì)，電池變化為陽(yáng)極：Fe2e→Fe2陰極:H2e→H2析氫腐蝕或陰極12O22eH2O→2OH吸氧腐蝕。由于后一陰極反應(yīng)的電極電位比前一過(guò)程高，所以除強(qiáng)酸性介質(zhì)外，一般都以吸氧腐蝕為主。如果金屬離子在陽(yáng)極區(qū)氧化析出時(shí)，3行的，主真空室的真空度達(dá)到51010樣品是采用99.99%務(wù)的純鐵片。根據(jù)UPSXPS和AES的測(cè)

5、量，我們認(rèn)為在溫度不太高和氧分壓不太大的條件下，多晶鐵片與氧作用生成的化合物是Fe3O4，而不是FeO和αFe2O3，也不是三種化合物的分層分布。在600℃以上的高溫，如果氧氣的分壓近于1106Tr將是鐵面上氧的熱脫附過(guò)程而不是氧化過(guò)程。首先，氧化膜的生長(zhǎng)。在氧化的開(kāi)始附段，可將鐵表面描述為新鮮（無(wú)氧）表面。即使在很低的溫度（如液氮溫區(qū)）下，這一表面也會(huì)非常迅速地氧化。當(dāng)氧化膜的厚度達(dá)到約20時(shí)，氧化實(shí)際上停了下來(lái)。發(fā)生氧化前，氧必須吸

6、附在表面上，離解并與鐵原子鍵合。鐵表面氧化剛一開(kāi)始即形成與表面鐵原子鍵合的氧離子的半單層。這個(gè)半單層一經(jīng)建立，即開(kāi)始氧化膜的生成階段。一種重要的生成機(jī)制是換位機(jī)制。在這種機(jī)制中，鐵與氧原子交換位置，使鐵原子脫離鐵表面而運(yùn)動(dòng)到膜表，結(jié)果使大氣中的氧原子接蓮不斷地吸附到鐵原子上。造成迅速氧化的換位機(jī)制與共價(jià)鍵合的極薄氧化膜有關(guān)。不象離子鍵合，靜電力可便任何離子為具有相反電荷的另一離子所吸引，共價(jià)鍵合的特點(diǎn)是只在特定的原子對(duì)或原子團(tuán)之間可以鍵

7、合。由于沒(méi)有約束力，共價(jià)的氧化膜中的原子對(duì)比較容易交換位置。當(dāng)氧化膜變厚，它的結(jié)構(gòu)變成離子性的，因此換位就停止了。通常換位只在低的氧氣分壓下發(fā)生，而在高的氧氣分壓下則可能為其它機(jī)制。形成離子性氧化物后，膜的生長(zhǎng)是通過(guò)膜中氧和鐵離子的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行的。大氣中的氧分子吸附在膜表面上，離解然后獲得電子而生成的氧離子向鐵表面擴(kuò)散，與此同時(shí)戶鐵離子和電子從鐵表面釋放業(yè)向膜表面輸送氧離子和鐵離子在膜中的某處相遇而生成新的氧化物。膜中上述的電子運(yùn)動(dòng)通常是

8、極為迅速的，因此它不是膜生長(zhǎng)的制約因素，但對(duì)于非鐵材料則是例外其次，氧化膜生長(zhǎng)方程。氧的吸附和供給速率為制約因素。這時(shí)，氧化膜生長(zhǎng)方程簡(jiǎn)單地表達(dá)為l=kt此處l為膜的厚度，k為生長(zhǎng)常數(shù)，t為時(shí)間。直至氧化鐵膜達(dá)到快速生長(zhǎng)階段的末期，即其厚度約20時(shí)，這一模型被證明是合理的。在氧化膜生長(zhǎng)較慢的階段需要復(fù)雜得多的處理。這里，離子在氧化膜中的運(yùn)動(dòng)是決定因素。離子的運(yùn)動(dòng)由Fick的擴(kuò)散定律和靜電力引起的擴(kuò)散規(guī)律所決定。就是說(shuō)氧或鐵離子穿過(guò)氧化膜