户外机械设备电化学腐蚀设计禁忌
引
言
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上图是一张平平无奇的铁门生锈照片，如果你拿这张照片问路人，铁门生锈是氧化还是电化学腐蚀，估计很多人会回答这是氧化了，其实钢铁在户外生锈是典型的电化学腐蚀。
金属材料的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是金属材料与介质发生化学反应而破坏的过程，腐蚀过程中不产生电流；电化学腐蚀是金属材料在电解质溶液中发生原电池作业而破坏的过程，腐蚀过程中有电流产生。
金属材料的腐蚀大多是电化学腐蚀，符合原电池基本原理，电势低的一极失去电子而被消耗，这一极称为阳极（或负极），电势高的一极得到电子而被保护，这一极称为阴极（或正极）。
笔者曾任职过的一家公司，为了防锈，将火箭发射机动平台上所有连接不锈钢支架的螺钉改为了镀锌螺钉，结果一年后发现所有裸 露的镀锌螺钉头均已出现锈蚀，这就是因为锌与被被连接的不锈钢在潮湿空气中形成了原电池而被腐蚀。
接触腐蚀是典型的电化学腐蚀。当两种金属相互接触后，活泼性高的金属往往会失去其电子而被氧化消耗，而活泼性低的金属却被周围的电子保护起来，避免被氧化。这如同聂小倩的姥姥，会“采阳补阴”之术。
按照原电池的必要条件，双金属接触电化学腐蚀也需要满足三个条件：
1）两种金属需要相互接触；
2）接触的两种金属活泼性差异较大，即两种金属的电势序差别较大；
3）需要有电解质在两个金属之间建立电子的回流通道，即结构处于潮湿环境，特别是海洋环境中。
电势序是在特定环境下，不同种金属之间的相对电势差，科学家们往往采用流动的海水来作为测试环境，且通常用标准甘汞电极来进行测量。
（空框表示不锈钢钝化膜损坏后的电势）
从右上到左下的金属分别为镁→锌→铍→铝合金→镉→低碳钢或铸铁→低合金钢→高镍奥氏体铸铁→铝青铜→黄铜→锡→铜→铅锡焊料50/50→铝黄铜→锰青铜→锡青铜→不锈钢410/416→镍银→镍铜90/10→镍铜80/20→不锈钢430→铅→镍铜70/30→镍铝青铜→镍铬合金600→镍200→银→不锈钢302/304/321/347→镍铜合金400/500→不锈钢316/317→20合金不锈钢→镍铁铬合金825→钛→金/铂→石墨。
上图越靠右上的金属越活泼，往往在电化学腐蚀中充当阳极而被腐蚀，比如镁锌铝等。
两种金属在电势序中的相对位置越远，他们接触在一起后的电势差越大，电子的相对运动的驱动力越强，越容易发生接触腐蚀的情况。比如锌/铝与不锈钢之间的电势差比较大，意味着如果将这两种金属接触在一起，则可能出现接触腐蚀的问题。
那么到底两种金属的电势相差多少会在户外形成接触腐蚀呢？其实这不光与电势差相关，也与环境有关，比如内蒙古沙漠环境中与南沙群岛海洋环境，对电势差要求就不同。但是户外环境都应避免电势相差0.6V以上的两种金属大面积接触。
比如锌与不锈钢之间的的电势差为0.9V，铝与不锈钢支架的电势差为0.7V，户外环境应尽量避免镀锌板与不锈钢接触，或者铝合金与不锈钢接触。而镀锌钢板与铝合金支架接触电势差为0.2V，通常是可接触的，户外的光伏支架也经常这样干。
那么电势差在0.6V之内的金属接触就一定没问题吗，高中政治老师告诉我们，凡是遇到一定二字就一定是错的。比如查上表含铬不锈钢与碳钢之间的电势差为0.25V，但是使用碳钢螺钉连接不锈钢的水管却会被腐蚀，这主要因为环境很潮湿，选用双金属是应更苛刻，潮湿或海洋环境中通常要求电势差≤0.1v。
腐蚀的发生需要有电解质的参与，电解质的导电性越强，腐蚀的危险就越大。因此，海水或者含盐的“潮湿空气”的危害，要远远大于纯净水对腐蚀的危害。湿度越大，电化学腐蚀的程度就越大。相反，如果金属表面足够干燥，腐蚀就很难发生。
尽管两种金属接触后会发生电化学腐蚀的风险，但是两个金属的面积大小比例，却对腐蚀的快慢有非常大的影响。
从实验得知，当两种金属接触时，如果活泼性高的金属（阳极），其面积小于活泼性低的金属（阴极），则阳极腐蚀的情况会更恶劣。比如用镀锌螺钉连接不锈钢板，用铝铆钉连接不锈钢板等。
相反，如果用稳定的金属（阴极）来连接活泼的阳极板材，比如用不锈钢螺钉来连接镀锌板/铝板却是安全的。根据采阳补阴的原理，在电解质中，镀锌板/铝板会有电子流向不锈钢螺钉，但是又因为它们材料足够多，螺钉材料相对足够少，对镀锌板/铝板不会有腐蚀。这就是泥牛原理，泥牛跳进井里会污染一潭井水，而泥牛跳进海里却染不黄一瓢海水。
所有，户外设备/结构使用不锈钢螺钉连接铝合金/镀锌钢支架是没问题的，而使用镀锌螺钉连接不锈钢支架是不被允许的，使用铝合金铆钉铆接不锈钢支架也是不被允许的。
无表面防护的碳钢，在户外也会被腐蚀，如同开篇的铁门照片。这是因为钢中的铁和碳化物（或其他杂质）在潮湿环境中形成为微小的原电池。铁作为阳极失去电子而被腐蚀。
不锈钢就是因为含有铬元素，提高了Fe-Cr的电极电位，达到防锈效果。当Cr含量超过12%时，Fe-Cr的电极电位剧烈升高，当Cr含量超过12.7%时，可使钢形成单一的铁素体组织。另外，Cr在大气环境中易钝化，生成致密的Cr2O3氧化膜，进一步提高了钢的耐腐蚀能力，所以不锈钢的Cr含量通常≥13%。
相反地，不锈钢中碳含量较低，通常为0.1%-0.2%（工具不锈钢除外），因为碳质量分数增加会增加阴极相碳化物的含量，而且C会与Cr形成碳化铬在晶界析出，导致晶界周围严重贫铬而出现晶界腐蚀。
晶间腐蚀是局部腐蚀的一种。沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化，不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工业的一个重大问题。
不锈钢通过采用固溶处理，加热到1050—1150℃使碳化铬完全溶解，水冷后等到单相组织，提高不锈钢的抗腐蚀能力。比如用作手术刀具的9Cr18，用作量具的4Cr13等，用作化工容器管道的302/304等等。
钢材的锈蚀通常为电化学腐蚀，而铝合金、不锈钢、青铜合金等由于表面会生成致密的氧化膜而有较强的防锈性能。当两种不同活泼性质的金属接触时，会加速对阳极材料的电化学腐蚀，特别应避免小件阳极活泼材料与大件阴极材料接触，比如用铝铆钉连接不锈钢/钛合金/铜合金，用镀锌螺钉连接不锈钢/钛合金/铜合金等。相反地，用小件阴极材料与大件阳极材料连接是没有问题的，而且能保护小件阴极材料，比如用不锈钢螺钉连接铝合金/镀锌板，用铜铆钉铆接铝合金/镀锌板等待操作。
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参考资料
【1】《光伏支架的宿命: 腐蚀 | 铝边框、铝支架、镀锌支架，他们与不锈钢之间的“接触腐蚀”》——小树洞谈光伏支架
【2】《什么是化学腐蚀、电化学腐蚀、晶间腐蚀？》——建造师备考小组组长
【3】《镀锌钢与铝结合的（双金属）电化学腐蚀风险分析报告》
【4】《工程材料》——朱张校
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文案 | 图惜
图片 | 网络
