合金,從外表看,是一座五顏六色的金屬“大廈”,因為砌成“大廈”的“磚”是各色各樣的。更重要的是,各色各樣的“磚”,砌到“大廈”上以后,把它們的特性也帶進“大廈”里,能夠顯著地改變金屬“大廈”的結構和性能:砌上“耐火磚”-鎢,金屬的“大廈”就不怕烈火燒;砌上“耐酸磚”-鉻,“金屬大廈”就不怕酸腐蝕。
把金屬制成合金,有時簡直會變個樣兒,就像因缺乏某種維生素而弱不經風的人,只要體內補充了這種維生素,很快就會身強體壯起來。為了防止金屬的腐蝕衰亡,我們也可根據需要“對癥下藥”,給金屬“注射”上某些合金元素,以增強抵抗腐蝕的能力,這就是合金法。
前面介紹的各種防腐方法,都是著眼于改變金屬所處的環境,使金屬不具備生銹的條件,即從外因上避免或減緩了金屬的腐蝕。而合金法是從內因上考慮,改變金屬制品本身的組成和結構,提高金屬的素質,使它能“拒腐蝕、永不變”。
要使合金的抗腐蝕性能增強,通常是向合金中加入比較穩定的金屬(例如向銅中加入金),或加入較易鈍化的金屬(例如向鋼鐵中加入鉻),以及加入能改變金屬的結構和性能的其他金屬或非金屬等。
合金中加入穩定金屬能耐腐蝕,是因為穩定金屬均勻分布在合金中,當合金表面不穩定金屬被腐蝕破壞后,剩下的穩定金屬暴露出來,在合金表面形成了一種穩定金屬層,保護了內部金屬不被腐蝕。所以穩定金屬的含量越高,合金的耐腐蝕性能就越好。在氯堿廠里,常用鑄鐵鍋熬制燒堿,熱的燒堿對鑄鐵的腐蝕很厲害,如果使用含有少量鎳的鑄鐵鍋,熬堿鍋的使用壽命就可大大延長,因為鎳是耐燒堿腐蝕的穩定金屬。
合金中加入易鈍化金屬能耐腐蝕,是因為加入的金屬可使合金表面形成一層牢固而致密的保護膜,這種保護膜可以是易鈍化金屬的氧化物,也可能是合金中幾種金屬的混和氧化物。例如,一些耐酸器皿常用硅鐵(含硅14%~17%)制造。
硅鐵受到某些酸的作用,表面能形成一層堅固的二氧化硅保護膜,如果受到機械作用如碰撞、摩擦,保護膜被破壞,在酸的作用下又會很快再長出來,所以硅鐵器皿能耐酸腐蝕。黃銅是銅和鋅的合金,鋅的加入使銅的穩定性增加。當黃銅中鋅含量在15%以下時,表面形成的保護膜中銅和鋅的氧化物都有。當鋅的含量在20%以上時,表面的保護膜幾乎全是氧化鋅,因為鋅的含量較高,即使能生成氧化銅,其中的銅也會被鋅還原出來,而再變成氧化鋅。如果黃銅中再加入少量鋁,在高溫下的穩定性就更好。高鉻鑄鐵(含鉻25%~36%)在與氧化性物質接觸時,具有很好的腐蝕穩定性,因為在合金表面上,形成了穩定的鉻的氧化物保護膜。當合金中鉻的含量一定時,它的耐腐蝕性隨合金中含碳量的增加而降低,因為碳能與鉻生成鉻的碳化物,消耗了一些鉻,使合金表面的鉻形成的氧化物膜大為減少。所以,一般含鉻鑄鐵(鑄鐵中含碳多)比含鉻量相同的鋼(鋼中含碳少)的腐蝕穩定性差。常見的不銹鋼,光亮美觀不易生銹,主要就是由于鋼中含有12%以上的鉻,表面形成鉻的氧化物保護膜的緣故。
但是,不銹鋼不生銹也是有條件的,只是在硝酸、氧化劑溶液和其他含氧的中性溶液中,不銹鋼才穩定,因為在這種環境中,有利于鉻的氧化物的生成。如果讓不銹鋼長期接觸非氧化性酸,保護膜就會遭到破壞,不銹鋼就要生銹了。
鈍性的爭論:不銹鋼的良好耐腐蝕性是基于其可鈍化性。金屬由于鈍化所導致的狀態,稱為鈍態或鈍性。關于鈍性曾提出多種不同假說,主要有氧化物膜理論、吸附理論、化合價理論和反應速度理論。1913年以來已召開了多次國際鈍性會議,但關于鈍性的本質至今仍未最終闡明,甚至就其確切的定義亦未取得一致意見。目前多數學者支持氧化膜理論。