金属钝化：防止钢铁变得活跃

保护金属免受腐蚀的化学层

许多金属在暴露于空气和水中时很容易受到腐蚀。腐蚀会导致金属应力和零件失效，因此冶金学家寻求解决它的方法。一种这样的方法是金属钝化，这是一种鲜为人知的防腐蚀表面的方法，它使用薄的化学层作为密封。钝化可以自然发生，也可以通过制造过程进行。

什么是腐蚀？

当活性金属合金的分子在其环境中发生反应以变得电化学更稳定时，就会发生金属腐蚀。氧化物、氢氧化物和硫化物是腐蚀的主要化合物。简单的暴露会导致反应，就像铁在水和空气中生锈一样。电化学过程也可能引起反应，例如电池中镍和镉之间的电偶腐蚀。

有耐腐蚀的金属。金、银和铂等贵金属在许多条件下都具有化学稳定性。贵金属并非不受腐蚀，但这个过程发生得很慢，或者使用不太常见的分子。例如，银的厚黑色失去光泽通常是由硫化氢而不是氧气和水引起的。冶金学家使用电化学标度或阳极指数检查金属的活性电位。靠近顶部的那些天生就不易腐蚀。

“活性”金属，或接近底部的金属，化学稳定性较差，因此更容易与环境中的其他元素发生反应。为了防止这种情况，使用主动或被动工艺来减少腐蚀。这些过程通常通过用顶层“密封”金属来工作，防止空气和水到达下面的金属。该层可以是人造的：油漆、粉末涂料和油都是常见的密封剂。但是，如果它们被划伤，腐蚀就会潜入。

用于密封金属的另一种选择是化学的，其中使用化学反应而不是制造材料。一种化学过程是钝化。

什么是钝化？

钝化，通常与不锈钢相关，是一种保护金属免受腐蚀的处理方法——使材料对周围环境“被动”。钝化，也许与直觉相反，会促进表面发生腐蚀，形成一层新的非反应性化学物质。该顶层与金属紧密结合，形成自然密封，阻止元素腐蚀随后的金属层。当每个表面都覆盖有紧密结合的腐蚀层时，金属就会被钝化。这一层可能会随着时间的推移自然（被动）构建，但制造商也可以主动诱导它。

钝化的历史

钝化是由进行电化学实验的科学家发现的，但他们并没有立即认识到该工艺在一般用途中的实用性。 1790 年，化学家 James Keir 观察到强硝酸浴不会腐蚀铁。他指出，当同样的溶液被水稀释时，铁会立即腐蚀，形成一种深棕色水的冒泡溶液。到 1836 年，瑞士化学家 Christian Friedrich Schönbein 进一步详细说明了该实验。正如 Keir 所指出的，他证明了一块浸入弱硝酸中的铁会溶解并产生氢气。然而，如果先将铁浸入强酸中，它就可以承受稀酸。水的腐蚀性元素似乎被阻止了，至少在一段时间内。

英国电化学家迈克尔法拉第是第一个描述原因的人。他向 Schönbein 假设，由强酸产生的氧化皮可能会导致被动状态。随着化学家和冶金学家探索化学“表皮”的想法，他们寻求制造或增强钝化的技术，以及可以有机地产生被动密封的合金。

被动氧化层

由于金属暴露在周围环境中，如果没有被油漆或粉末涂料阻挡，它们会自然腐蚀，形成皮肤或密封层。大多数钝化膜是由氧化物、金属和氧的组合构成的，因此被称为钝化氧化物层。

钝化氧化物层的最大好处之一是，当它们自然产生时，如果金属表面被划伤或以其他方式损坏，它们也会自然“愈合”，因为下一层分子将与环境元素结合。

钝化氧化层的有效性取决于所涉及元素的类型。并非所有的氧化物层都具有保护性：如果氧化物的多孔性足以让氧气通过，则不会形成密封，下面的金属将继续腐蚀。例如，氧化镁形成一层具有高表面孔隙率的层，不会阻止腐蚀。氧分子仍然流过并与下面的镁发生反应。

同样，周围环境中的元素也很重要。例如，不锈钢可能会受到盐或铁沉积物的挑战。如果表面的整体化学不再自然钝化，就会生锈。

强制钝化

对于某些合金，自然钝化可能需要很长时间；对于其他人来说，它可能会随着金属晶粒的变化或表面沉积物的存在而不均匀地发展。冶金学家创建了主动钝化方法来加速和标准化流程，以创造立即可用的产品。

枪“发蓝”是通过化学制造手段强制钝化的早期例子。铁的氧化物之一是磁铁矿，一种黑色氧化物 (Fe3O4)，这种氧化物不会像铁锈 (Fe3O3) 那样剥落。可以使用几种化学过程来使用热和苛性碱溶液来产生这些黑色氧化物。然而，尽管发蓝确实可以防止腐蚀，但损坏的层在正常条件下不会“愈合”。因此，发蓝是一种需要维护和保养的人造密封剂。

如今，常见的主动钝化处理有几个步骤：

• 清洁物品以去除表面油污和杂质。不应有任何区域被外部涂层与酸浴密封。
• 在硝酸或柠檬酸浴中钝化，或使用电化学工艺进行钝化。对于不锈钢，此步骤可去除任何会抑制不锈钢形成固体钝化膜的游离铁沉积物。在微观层面上，游离铁的沉积会阻止钝化氧化铬层形成连续密封。硝酸浴后的钝化层为Cr2O3。
• 冲洗掉所有酸溶液的痕迹，并带走任何剩余的游离铁。
• 物品放置在促进氧化的条件下。条件包括温度和湿度升高，以及使用盐雾、硫酸铜或铁氰化钾等防锈剂。

不锈钢和其他自钝化合金

不锈钢是一种坚韧的金属，通过自然钝化具有耐腐蚀性。自 1913 年发明以来，许多行业都开始依赖这种金属。但不保证不生锈。

不锈钢与其他钢一样，主要由铁和碳制成。该合金的革命性添加物是铬。暴露在空气中的铬会迅速形成钝化氧化层，将铁密封并保护它。不同等级的不锈钢包含不同的支撑金属：钼、硅和其他成分都为不同的应用提供被动支撑。一些牌号在控制热量方面表现出色，而另一些牌号则在抗盐腐蚀方面表现出色：合金的化学混合物会改变其在不同条件下的行为方式。铁沉积物、热量、与其他金属、盐和酸的接触都会对氧化层产生挑战。

铝是另一种自然钝化的金属。当暴露在空气中时，大多数（尽管不是全部）铝合金上会形成氧化铝，从而使表面具有自我保护作用。氧化铝可能会受到盐分、电化学应力或滞留水分的影响。对于不锈钢和铝，制造工艺用于帮助创建比自然发生的更厚或更均匀的钝化层。

不锈钢和铝的钝化标准

不锈钢和铝都是自钝化材料，但它们并非不受腐蚀。由制造或热处理造成的谷物不规则可能会造成缺陷。油或其他化学物质的表面沉积物也可能会中断钝化膜。为了保证不锈钢和铝牌号的质量，现在有标准的钝化工艺和测试。

ASTM 规范 A380 和 A967 制定了使用硝酸、柠檬酸或电气方法对不锈钢进行钝化的标准和质量测试程序。

铬有时用于钝化其他材料，但通常是通过应用而不是嵌入合金中。一种称为铬转化的工艺用于铝和其他金属，例如锌和镍。在这种技术中，将铬凝胶涂在金属表面上。该化学物质与金属表面结合，形成具有高耐腐蚀性的钝化层。铬转化钝化的划痕将经历一个自我修复过程。划痕周围的铬移入以粘合并重新形成钝化层。但是，划痕的尺寸需要足够小，以使周围的铬可以做到这一点。

不锈钢的酸洗与钝化

钢的钝化是使用酸浴留下氧化层的过程。酸洗是另一种酸浴处理，但它的目的相反：酸洗使用酸清除金属表面的氧化物。

当氧化物覆盖金属表面时，该物品的加工变得更具挑战性。氧化物会对工具刀头造成更大的压力，并且会阻止用油漆或粉末涂层密封表面的尝试。酸洗去除所有氧化物，包括任何作为钝化层的氧化物。钢和铁通常都经过酸洗。

在金属零件的生产中，零件可能会经过酸洗、机加工，然后钝化。

不锈钢和其他金属的电解抛光

电抛光是一种金属精加工步骤，可去除毛刺并使其光滑，留下闪亮的清洁表面。它可用于许多金属，包括不鼓励钝化的金属，如铜。在钝化金属上，光滑的表面可以形成完整的、有弹性的钝化层。

待电抛光的物体被赋予正电荷并浸入电解质浴中。周围的阴极从物体上拉出表面分子，刮掉它的顶层。锯齿状突起首先被拉开。在宏观和微观层面上，电抛光金属几乎没有不规则或裂缝。

在对不锈钢进行电解抛光时，铁会被优先去除，从而在表面留下更多的铬。不含铁的光滑、不间断的表面自然会在不锈钢上形成坚固的钝化层。

当钝化失败时

钝化并不总是理想的解决方案；潜在问题涉及广泛的变量。某些类型的金属无法钝化，因为金属在腐蚀时会剥落。如果金属在结构上能够钝化，那么在酸浴过程中仍然可能出现问题。另一方面，即使是完全钝化的金属也可能无法在某些行业中使用——这种化学反应会导致电化学应用出现问题。

为什么有些金属在腐蚀时会剥落？

金属氧化物可以具有比其组成金属分子更大的晶体结构。例如，氧化铁 (III)，一种更广为人知的红色腐蚀副产物，与产生它的元素铁相比，具有更大的结构，因此具有更大的表面积。这个较大的表面积迫使氧化物从下面的金属表面上升，导致起泡和剥落。氧化物与金属的分离使下一层暴露在空气和湿气中，循环继续，侵蚀表面。

在氧化物、氢氧化物或硫化物的表面积大于它们产生的金属的情况下，不会形成钝化层。

钝化 Flash 攻击

有时，制造商会发现在一批钝化物品中，即使在强硝酸浴中，一个或多个变黑并开始蚀刻。这种活动状态被称为“闪电攻击”。这可能会非常令人困惑，因为有时它会攻击某些物品，但会将其他物品单独留在同一个浸篮中。

闪光攻击的原因与制造钝化膜所涉及的化学物质的一致性有关。如果硝酸浴已经使用了很长时间，它可能已经积累了盐或水。零件本身通常是一个问题：可能有切削油留在机器零件上，或者加工过程中的热处理或热控制可能不均匀地改变了零件的分子结构。合金本身也可能存在夹杂物或不一致。

避免钝化

有时钝化会导致金属部件的正常功能出现问题。

电化学处理通常需要金属阴极和阳极使电流通过溶液。这些系统可能会促使形成附着在阴极外部的氧化物。随着阴极被氧化物污染，系统变得不那么有效。

在这些系统中，钝化是一个问题。切换极性有时可以解决问题。相反的电脉冲使氧化物从阴极上脱落。氧化污泥或炉渣可以脱落，不会干扰过程的电化学活性。

用于密封和保护的钝化层

许多金属与环境发生反应，产生氧化物、氢氧化物或硫化物。这些腐蚀产物的产生方式相似，但性质不同。

银失去光泽，随着银与空气中的硫化物结合而缓慢产生，起到钝化层的作用。它使金属表面变钝，并且经常被抛光掉。相比之下，铜的绿色光泽或铜绿通常因其产生的绿色深度和范围而成为美学奖。铜绿是碳酸盐、硫化物、硫酸盐和氯化物的混合物，由铜与酸雨或二氧化碳反应产生。锈是最常见的氧化铁，会产生橙色或砖红色颜料。与铜绿不同的是，它必须小心控制，以免冒泡的表面不会让下面的钢材生锈。

钝化层密封并保护金属物体免受进一步氧化。对于铬基钝化层，例如不锈钢，这种薄膜通常足够薄，不会改变金属的表面外观或功能。薄钝化通常只在非常特定的环境中改变金属——例如焊接、机械加工或电化学系统。自钝化金属提供的最大好处是“自我修复”的能力。为了最大限度地防止腐蚀，请将自钝化金属与涂有密封剂（如油、粉末涂层或油漆）结合使用。