第 10 章 金屬之腐蝕 10-1 腐蝕的意義 10-2 影響金屬腐蝕的因素 10-3 鋼鐵之腐蝕 10-4 防蝕的方法 總目錄.

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1 第 10 章 金屬之腐蝕 10-1 腐蝕的意義 10-2 影響金屬腐蝕的因素 10-3 鋼鐵之腐蝕 10-4 防蝕的方法 總目錄

2 腐蝕的意義 腐蝕是指材料受到外在化學環境影響而導致退化的現象。金屬材料受到腐蝕會逐漸喪失其強度、延性及其他機械、物理性質，最終會造成材料破壞。 金屬為機械材料中最重要的材料且使用量也最大，金屬腐蝕所造成的直接及間接損失遠比天災及人為事故來得大。 節目錄

3 影響金屬腐蝕的因素 一、化學的腐蝕 以鐵在沒有水分的情形下產生氧化來說明，其化學式為 4Fe ＋ 3O2 → 2Fe2O3，這反應在高溫時易進行，室溫時鐵的腐蝕藉由水與氧作用分二步驟。 第一步: Fe＋ O2＋H2O → Fe（OH）2 第二步: 2Fe（OH）2＋ O2＋H2O → 2Fe（OH）3 溫度愈高，任何化學反應都會加速，腐蝕也不例外。 節目錄

4 二、電化學的腐蝕 電化學腐蝕是金屬主要腐蝕的原因，一般指金屬存在於有電解質環境中，金屬會起離子化作用而溶解所形成的腐蝕現象，例如大氣腐蝕和土壤腐蝕等。以鐵生鏽說明，其化學式為 Fe → Fe2 ＋＋ 2e － O2 ＋ H2O ＋ 2e －→ 2OH－ Fe2 ＋＋ 2OH－→ Fe（OH）2 上一頁 節目錄

5 上述反應中 Fe 原子失去電子形成 Fe2+ 離子，為氧化過程； O2 ＋ H2O 則獲得電子形成 2OH －，為還原過程； Fe2+ 與 2OH － 再結合成 Fe（OH）2。此化學反應於溶液中較易發生，為電化學作用。 上一頁 節目錄

6 三、環境 影響金屬腐蝕的環境因素有很多，例如溫度的升降起伏、降雨量、溼度、風速、汙染物（廢氣、化學溶液）等，這其中以空氣中所攜帶的汙染物之種類及含量（酸 SiO2、HCl、H2SO4 及鹼 KOH、NaOH、NH4OH）與空氣中溼度（水）與金屬表面接觸時間特別重要。一般在乾燥無汙染物的環境下，較不易發生腐蝕現象，例如溫度升高化學反應相對速率提高，則腐蝕也會增快。 上一頁 節目錄

7 四、鈍化 鈍化是指金屬表面形成一層反應產物的保護膜，藉由保護膜能隔絕腐蝕反應。有氧化膜理論（反應物擴散障礙層，隔絕金屬與環境，降低反應速率）及吸附理論（金屬被氧化的化學吸附薄膜所覆蓋，降低金屬離子水合作用的陽極溶解速率），共同點為鈍化發生是因為金屬表面形成一層保護膜，增加金屬材料的耐腐蝕性。例如不鏽鋼、鋁與鋁合金、鎳與鎳合金及鈦與鈦合金等皆為鈍化金屬的代表。 上一頁 節目錄

8 鋼鐵之腐蝕 機械材料中鋼鐵因使用範圍廣，例如橋樑、機械、結構物及公共工程建設等，所以鋼鐵腐蝕的影響尤其重要。鋼鐵的腐蝕主要是由化學或電化學作用所引起，常見形式如下說明。 節目錄

9 一、直接氧化腐蝕 鋼鐵於高溫下與氧產生反應生成 Fe2O3 氧化物；鋁在高溫空氣表面易氧化生成 Al2O3 氧化物；鎂在氧化的氣氛中會氧化生成 MgO 氧化物；酸洗（利用酸化學作用將金屬表層氧化物及金屬熔解，使內層金屬母材裸露出來的操作方式）等，皆為鋼鐵直接腐蝕的例子。 上一頁 節目錄

10 二、均勻腐蝕 當鋼鐵置於電解質中，鋼鐵的某部分區域會比其他區域先行作用（陽極化），而這些區域有時會逐漸移動，有時亦會週而復始重複產生，這種現象使得腐蝕會在各處均勻發生，此稱為均勻腐蝕，例如鐵生鏽。 上一頁 節目錄

11 三、加凡尼腐蝕 發生於兩種不同金屬或合金接觸而產生加凡尼電池效應的情形，稱為加凡尼腐蝕，如圖 10-1 所示，例如熱水器內銅管與鋼支架接合處，鋼易受到加速腐蝕；裝金假牙與鈷鉻合金假牙在唾液環境下，鈷鉻假牙易受腐蝕。 上一頁 節目錄

12 《圖 加凡尼電池效應》 上一頁 節目錄

13 四、粒間腐蝕 粒間腐蝕又稱為沿晶腐蝕，發生在合金晶界或晶界附近的腐蝕現象，結果使材料沿晶界而破裂，例如 304 不鏽鋼於銲接時於敏化溫度（450 ～ 900℃）時，於晶界亦析出碳化鉻，使附近含鉻量減少而易發生腐蝕，黃銅也容易發生粒間腐蝕，如圖 10-2 所示。 上一頁 節目錄

14 圖片來源： 03-18/509--intergranular-corrosion 《圖 粒間腐蝕》 上一頁 節目錄

15 五、間隙腐蝕 間隙腐蝕發生在材料隙縫及溶液遮蔽表面處的局部電化學腐蝕，主要為濃差電池效應造成，因縫隙內含氧量少且漸漸被消耗，而外界氧較易得到補充，形成嚴重的濃差電池效應，例如金屬墊圈、鉚接處及繫船纜線等，如圖 10-3、10-4 所示。 上一頁 節目錄

16 《圖 濃差電池效應》 上一頁 節目錄

17 《圖 間隙腐蝕》 圖片來源： (a) (b) 上一頁 節目錄

18 六、穿孔腐蝕 穿孔腐蝕又稱為孔蝕，是在金屬上產生孔或洞的局部腐蝕侵蝕作用。其發生的位置大多在某些地方腐蝕，速率較其他地方大，如圖 10-5 所示。穿孔腐蝕會貫穿金屬，其傳播方式會在孔蝕底處維持高度的酸性，繼續造成金屬熔解。孔蝕常發生在不鏽鋼、富鎳合金、鋁、銅及其合金上需特別注意。 上一頁 節目錄

19 《圖 孔蝕》 上一頁 節目錄

20 七、應力腐蝕 鋼鐵受拉伸應力及腐蝕環境結合效應所產生的腐蝕稱為應力腐蝕。其應力為施加應力或殘留應力，因材料所承受應力高低造成裂縫，且由裂縫成長直到材料破壞，常發生在冷加工的材料，需藉由熱處理（如退火）或選用抗應力腐蝕材料（如鈦合金）來防止，如圖 10-6 所示。 上一頁 節目錄

21 《圖 應力腐蝕》 圖片來源： (a) (b) 上一頁 節目錄

22 八、沖蝕腐蝕 沖蝕腐蝕為液體流動造成機械性磨耗與腐蝕共同作用的現象，當化學溶液（例如帶有懸浮顆粒或髒物）於高速流動或擾流狀態下，易形成沖蝕腐蝕作用，例如彎管、肘管、管徑急變之管路、輪機葉片、螺旋槳及攪拌器等，如圖 10-7 所示。 上一頁 節目錄

23 《圖 沖蝕腐蝕》 圖片來源： (a) (b) 上一頁 節目錄

24 九、其他腐蝕 1. 疲勞腐蝕：材料受覆變應力及腐蝕環境作用結果。 2. 渦穴腐蝕：沖蝕腐蝕另一形態，金屬表面液體中氣泡及充氣孔破滅造成。
1. 疲勞腐蝕：材料受覆變應力及腐蝕環境作用結果。 2. 渦穴腐蝕：沖蝕腐蝕另一形態，金屬表面液體中氣泡及充氣孔破滅造成。 摩擦腐蝕：材料受振動及滑動負荷之界面處，形成凹槽或蝕孔而造成。 選擇性腐蝕：固體合金內某一特定金屬優先除去過程，例如黃銅內脫鋅作用。 上一頁 節目錄

25 防蝕的方法 一、材料選擇 1. 金屬材料：使用具有優良耐腐蝕性材料，例如不鏽鋼；於非氧化性或還原性環境可採用鎳及銅合金；於氧化性環境可選用含鉻合金；於劇烈氧化環境常使用鈦及其合金。 2. 非金屬材料：陶瓷材料及高強度塑膠材料例如用於內襯、墊圈及被覆方式等。 節目錄

26 二、被覆 （一）金屬被覆 即電鍍、金屬浸塗、金屬滲入、金屬熔射及金屬防蝕等。
1. 電鍍：將具有抗蝕性金屬利用化學電鍍方式鍍於材料表面，以達防蝕效果並可增加美觀，例如鍍鎳、鉻、銅、銀、金等。 2. 金屬浸塗：將低碳鋼、鐵器或鐵線熱浸於錫、鉛、鋅熔溶液中，使表面生成保護膜，以抵抗腐蝕環境。 上一頁 節目錄

27 金屬滲入：滲鋅、滲錫、滲硼等，將鋼鐵板或皮，先清潔處理後浸入熔化的鋅、錫、硼的液體槽中，使材料表面具有抗腐蝕效果，適用管狀內部無法電鍍者。
金屬熔射：將金屬加熱至熔化程度後，以高壓空氣噴射於金屬表面形成包覆層，亦有用電漿噴射利用氣體離子化的高溫，將金屬熔化後噴射於工作物表面，例如鎢、氧化鋯、鈷、氧化鋁等。 上一頁 節目錄

28 5. 金屬防蝕：用適當厚度之純鋁板包圍鋼料後軋延成為保護層，以抵抗強烈侵蝕，俗稱鋁包層鋼。
5. 金屬防蝕：用適當厚度之純鋁板包圍鋼料後軋延成為保護層，以抵抗強烈侵蝕，俗稱鋁包層鋼。 （二） 無機被覆（陶瓷或玻璃） 於鋼鐵表面鍍上陶瓷塗層或與薄玻璃層融合，用到光滑耐用表面，其附著性良好，熱膨脹係數可調整到與鋼鐵基材相近，易清理、耐腐蝕，常用在化學工業上。 上一頁 節目錄

29 （三）有機被覆 利用油漆、水漆、天然漆及其他有機高分子材料來作為保護金屬塗料，使材料免受腐蝕性環境侵蝕，此塗料具有良好的附著性，具有相當彈性不易產生裂紋，並有各種顏色光澤但易褪色，可採用塗刷或噴敷方式施工。 上一頁 節目錄

30 三、陰極防蝕 此方法最主要的目的是使被保護的金屬成為陰極，如此可確保該金屬不被腐蝕。主要方式有 2 種，1 種為外部施以電壓，使腐蝕反應停止或反向進行，另 1 種是以他種金屬做陽極稱為犧牲陽極，待陽極金屬耗盡後更換新陽極，如船舶底部之防蝕鋅板或一般的鍍鋅白鐵皮。 上一頁 節目錄

31 四、金屬鈍化（陽極氧化處理） 陽極氧化為處理鋁合金表面，在陽極氧化的鋁金屬表面，由於電流作用，產生堅硬又安定緻密的氧化層，使內部鋁不再進行腐蝕。 上一頁 節目錄

32 五、設計 因應腐蝕環境工程，設計者考慮材料必須連同所需機械、電及熱的性質需求等做一併考量，例如機械強度與材料厚度在腐蝕環境下的配合；採用鉚接而不用銲接、採用相同金屬或合金、避免應力過大下使用材料、管線彎曲角度及流動速度設計、機械易拆性設計等。 上一頁 節目錄

33 六、環境改變 腐蝕程度依環境狀況具有決定性影響，例如降低溫度（溫度低腐蝕反應速率降低）、降低流體速度（腐蝕性流體速度降低可減少沖蝕腐蝕）、水溶液中去氧（減少與氧產生的腐蝕）、減低離子濃度（減少腐蝕溶液內腐蝕離子濃度可降低腐蝕進行）、添加抑制劑（阻止催化劑作用，可於表面生成保護膜或移除腐蝕劑）等。 上一頁 節目錄