问冶金学家：什么是锈？
腐蚀化学：如何清洁和保护您的金属物品
铁锈是铁与氧气和水反应产生的化学物质的通用名称。然而，“锈”在化学中的定义并不明确——当铁暴露在外时会形成许多化学物质。但是，我们通常将某些化学物质导致的红色、片状外观称为锈。
在常规环境条件下，腐蚀铁或钢会产生许多不同的化合物。其中一些化学物质会是黑色、蓝色、黄色、灰色或棕色，这取决于它们在生锈时从环境中获取的分子。例如，含硫的酸雨可以与铁结合形成黄铁矿分子，这种黄色矿物被称为“傻瓜的黄金”。这些矿物质根本不是我们认为的铁锈。我们通常所说的是某种氧化铁（III），一种外观呈红色或红棕色的氧化铁。
因此，当我们谈到铁生锈时，我们并不总是将其与我们在经常使用的其他金属中观察到的化学变化联系起来。我们不会说银或铜“生锈”。相反，据说铜会产生光泽，而银会失去光泽。所有这些术语都描述了暴露的金属腐蚀。
为什么铁会生锈？为什么铜不生锈？
金属通过与环境发生化学反应而腐蚀。精炼的、可供人类使用的金属通常不是热力学最稳定的形式。它们与周围空气中的分子发生反应，找到更稳定的状态。
在生锈的铁中，这是一个氧化过程，氧气和水在其中产生氧化铁。然而，腐蚀可能发生在其他分子上。银锈通常是通过与硫化氢反应产生的，硫化氢是一种闻起来像臭鸡蛋的气体，是由低氧环境中的细菌分解产生的。如果你在沼泽附近或垃圾场附近有银子，它会很快失去光泽！
有些金属不会腐蚀，因为它们已经化学稳定。黄金和铂就是例子：由于这个原因，它们更有可能在地壳中作为纯元素金属被发现。银也被发现是一种纯金属，因为当它失去光泽时，失去光泽本身会在金属的其余部分周围形成热力学稳定的密封。这种钝化膜可防止更下方的层进一步腐蚀，这一过程称为钝化。
铜的铜绿是自由女神像独特的绿色的原因，是保护下面金属的钝化膜的一个例子；铜风化形成的铜绿与下面的铜层保持结合，密封并保护其免受大气分子的影响。
相比之下，红色氧化铁 (III) 不会与下方的铁结合，而是拉开并剥落。因此，锈不会提供钝化层，而是会腐蚀掉，使下一层铁暴露在氧化中。
一些铁基合金，如不锈钢，以防锈着称。防锈铁合金在混合物中含有一种金属，可以在生锈之前形成一层钝化保护膜。对于不锈钢，钝化是通过添加铬来产生的，铬会迅速氧化，留下一层非常薄的保护铁的层.
常见的金属腐蚀类型
金属通过不同的过程在不同的环境中腐蚀。最简单的腐蚀形式发生在金属与表面的水分和空气发生反应时。在盐碱环境中，盐中氯的存在可以加速和缓和这一过程。在酸雨中，硫化合物可能是造成这种情况的原因。
盐碱环境也促进了一个稍微复杂的过程，称为电偶腐蚀 .在电偶腐蚀中，两种具有非常不同电势的金属在电解液（例如海水）中发生电或物理接触。更钝化的金属，即阴极金属，从活性或阳极金属中吸取电子。这种化学反应是腐蚀的一种形式，也是电化学电池的基础。
阳极金属中新带电的分子通过与环境中的分子结合来稳定自身，通常会生成氧化物或其他矿物质。在钢中，这些氧化物就是铁锈。
铝是一种在腐蚀过程中通常受到钝化膜保护的金属。然而，如果用不锈钢螺钉拧紧，由于电偶腐蚀，铝会很快腐蚀失效。另一方面，钢螺钉将更耐生锈！阳极提供稳定的电子流可防止阴极金属腐蚀。出于这个原因，有时“牺牲阳极”会附着在将暴露在海中的金属上，比如船体上，以电化学方式帮助保护船的膜。
点蚀 是金属表面不均匀发生腐蚀的术语。相反，金属上会出现小孔。这些腐蚀较快的区域通常是由于材料上的“密封”失效，无论是人造密封剂，如油漆或粉末涂层，还是顶层腐蚀的钝化膜密封剂。如果金属中有夹杂物，或者合金不均匀，钝化层可能会失效。金属是由晶粒构成的晶体结构，这些晶粒结构具有不同的相。如果化学成分不规则或变形，可能会导致更容易受到腐蚀的斑点，甚至会在同种金属的整个体内产生电偶腐蚀。
不锈钢会生锈吗？
不锈钢是一种耐腐蚀的铁合金，通过添加铬来防止生锈。不同的铬含量用于使其能够抵抗经常使用或在盐碱环境中大量使用，例如 316 不锈钢。
然而，即使是不锈钢也会生锈！所有被锁在金属中的铁只需要暴露就可以反应。它依靠氧化铬的“密封”钝化层来保护它。
氧化铬层只有几个分子厚，不是瞬间形成的。制造不锈钢时，用酸清洗。这种酸可以去除任何可能导致铬化学反应问题的表面铁、盐或油脂沉积物。根据所用酸的类型，它可以是钝化过程的一部分，也可以只是让钢在空气中自然钝化。
因为这种钝化膜是一种化学物质，它可以被破坏。超过 750°F 的高温会导致铬发生分子变化，从而防止氧化，因此锈会在不锈钢焊接部位周围形成。在其他情况下，快速热变化、磨损、破损、盐分、酸和其他金属沉积物的堆积会损害氧化铬层。如果不锈钢与过多的铁接触，铬的局部百分比可能会低于维持薄膜所需的最低百分比（下限为 10.5%）。
因此，用钢丝绒擦洗不锈钢，会使生锈问题变得更糟！随着铬的磨损，来自洗涤器的钢分子可以成为贱金属的一部分，从而降低局部铬含量。当不锈钢钝化失败，铁暴露在水和空气中，就会生锈。
如何清除不锈钢上的锈
清洁不锈钢的建议通常建议您必须“小心划伤铬表面”，因此建议不要使用研磨剂和其他化学品。这不太正确：生锈表明氧化铬表面已经受到损害。在非工业环境中（在家里或小型商业厨房）从不锈钢上清除锈蚀的目标是首先彻底清洁不锈钢合金，去除所有锈迹以及所有铁沉积物、盐、油脂或酸，然后让材料“自动钝化”，即与空气反应以重新形成密封。这样做时远离所有形式的钢铁是对结果感到满意的一种方式。
清除不锈钢上的锈迹：
- 可以使用小苏打等温和的研磨剂擦洗表面，用布、海绵或软毛刷去除锈迹。
- 去除锈迹和任何污染物后，铬会立即自动钝化，形成自己的防护罩。
- 在接下来的几天里，氧化铬层确实变厚了，所以隔夜风干有助于建立保护！
- 充分冲洗后，可以将不锈钢风干，也可以使用定制的不锈钢清洁剂进行清洁和抛光。
在制造环境中，不锈钢有时会在硝酸的热浴中清洗，这会“强制”形成更厚的钝化层。出于环境原因，许多制造商目前正在转向使用柠檬酸进行清洁，这在家庭中可能更常见，然后让不锈钢“自动钝化”。
如何去除铸铁和钢上的锈
与去除不锈钢合金的锈迹不同，使用钢丝绒或钢丝刷可以帮助去除铸铁或钢的锈迹！
对于简单、较小的表面，例如生锈的铸铁锅：
- 一个百洁布和一点肘部油脂可以去除氧化铁层。盐是一种常用的研磨剂。
- 然后应该好好清洗平底锅。
- 应将平底锅加热干燥，以使表面的所有孔隙都有液体排出。
- 铸铁必须用油调味，油在表面烘烤时会形成聚合物密封剂。
- 这种油可以薄薄地涂在表面上，然后在 375° 下烘烤（倒置以防止积水）1 小时。如果需要，可以添加其他层。
- 食品级亚麻籽油是调味油的理想选择，可提供坚硬、有光泽的表面。
对于许多复杂形状或大小的物体，擦洗是不实用的。在这种情况下，化学去除方法可能是最好的方法。它们具有不同的功效，具体取决于所涉及的合金类型。可以使用常见的家用成分，如醋、糖蜜或柠檬酸。糖蜜是一个令人惊讶的选择，它确实比醋需要更长的时间——但它可能非常有效，因为它会分解成草酸，有助于去除锈迹。
商业除锈产品——通常由强酸制成——也可以买到。浸泡在这些液体中，然后去除和干燥可以有效地恢复生锈的旧宝物。
不过，与铸铁平底锅一样，重要的是要考虑在清洁后如何保护您的钢铁和铁免受这些元素的影响。
保护黑色金属
铁在空气和水的存在下会生锈。这意味着，只要人类从事铁加工，我们就一直在研究最好的铁密封剂。创建紧密层的方法有很多。
强制钝化 — 一种非常常见的密封铁或钢的形式是将第一层腐蚀成氧化铁 (II) 或黑色氧化物，其作用类似于其他金属铜锈并密封金属。这个过程与发生在铜、锌或铬上的过程之间的唯一区别是，它不会在常规环境条件下发生。因此，如果物品的顶层受损，则必须对整个物品进行修补。当使用枪支通过一个过程完成时，这被称为“发蓝”，或者在大多数机械车间通过类似的过程但化学品略有不同的“变黑”。在冷发黑工艺中，氧化铁 (II) 可以涂在表面上，提供的保护效果稍差。
定期使用和保养，包括上油或打蜡 ——一些工作中的钢铁将大部分未加工，使用、保养或环境将使它们保持光泽。传统上，像剑这样的武器和像刀这样的装备可能已经“生”了，但会被干燥并用矿物油或食用油上油，这些是需要定期重新涂抹的临时密封剂。对于长期存放，可能会使用蜡和其他抛光剂来形成密封——但它们仍然会随着使用而磨损。
暴露在普通机油中的发动机零件可能会生锈，因为发动机周围的热量和机油使它们不太可能生锈，但外表面可能会被涂漆。汽车的排气系统依靠全热发动机的较高温度来防止腐蚀，因此驾驶足够长的时间让发动机缸体加热是防止消音器生锈的一种方法。 （在高性能赛车发动机中，内部也可能会涂漆，但这主要是为了帮助油的循环。）
应用密封剂 — 许多钢铁产品通过涂上另一种物质的硬层来保护。其中包括：
- 聚合油： 亚麻籽油（由亚麻制成，但不符合食品级标准）是锻铁产品的原始饰面之一。铁匠可能会在油中淬火或用油涂漆，然后将其点燃，以提供我们今天仍然在锻铁上模仿的传统黑褐色光泽——通常是用漆、油漆或清漆。
- 热镀锌： 在这个过程中，锌被施加到熔池中的钢或铁上。锌镀锌具有多种保护特性。首先，它产生一种铜绿，将锌和下面的铁或钢密封起来。其次，它比它所应用的金属更“活跃”。在镀锌钢物体的使用寿命期间，锌充当“牺牲阳极”。随着它的降解，它可以保护并减缓下面钢材的腐蚀，即使钢材暴露在外也是如此。
- 电镀： 锌可以通过浸浴而不是通过钢制物体施加到钢上，然后用带电的锌颗粒喷洒物体。这会在金属表面形成均匀且不间断的电键合。
- 粉衣： 施加粉末涂层的过程与施加锌的过程类似，因为物体和密封剂都带有静电，这意味着分子键即使是最小的中断也不会让水分通过。然后在热烘箱中将树脂粉末涂层烘烤到物体上。这件外套将保持多年的光泽，提供卓越的保护并且需要最少的维护。
- 油漆： 无论是在室内还是室外，甚至在高性能发动机的核心，油漆都是一种流行且用途广泛的密封剂。作为一种廉价的密封剂，它仍然可以很好地保护钢铁免受元素的影响。当它开裂并磨损时，很容易打磨并重新涂抹。油漆的缺点是它本身在天气下容易开裂和剥落：即使密封层上的一个小孔也会开始下面的生锈过程。但是，这些缺点有时可以通过使用部分或部分定期维护程序来解决。
金属物品的保养
金属是一种经久耐用的经典材料，用于制造经久耐用的物体和结构。然而，大多数金属仍然容易受到腐蚀和电化学衰减的影响。在开始一个项目时，考虑到金属所处的环境，设计师可以选择在这些条件下保持最佳状态的金属。
铁很容易被氧化，只要有一点点水和氧气，就会生锈。与其他金属不同，这种氧化不会形成它自己的密封钝化层。因此，密封剂通常与黑色金属一起使用。找到合适的类型并在金属使用数十年的过程中密切关注它可以帮助延长任何金属物体的寿命。
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