不锈钢红锈形成的机理及其处理技术

不锈钢红锈形成的机理及其处理技术

岑天孔

海雅美生物技术（珠海）有限公司 广东 珠海 519000

【摘要】伴随国内先进科技的飞快进步，不锈钢产品也获得了长足的发展。但同时，在制药等领域使用不锈钢时，却出现了红锈现象，以至于从源头上带来了很严重的影响，需要积极采取有效措施，展开妥善处理，进而大幅度提升不锈钢的整体性能及系统质量水平。基于此，本文从不锈钢出发，探讨了红锈的基本形成机理、标准分类、有效处理技术。

【关键词】处理技术；红锈形成；不锈钢

针对不锈钢制品，人们一般都认为是不会生锈，如果生锈的话，必定是存在钢质缺陷问题^[1]。但实际上这种看法既片面又错误，其实在特定的环境条件下，不锈钢也还是会出现生锈现象，也即红锈现象。一旦不锈钢出现红锈，就会产生很严重的危害。考虑到红锈一般都是一些颗粒物，所以会污染到不锈钢系统，便要求及时与有效预防和控制处理。

一、形成红锈的机理

在电化学反应中，氧化反应十分常见。其中的机理如下：一种元素放出自己的电子，经由另一种元素将其吸收^[2]。以上过程就是氧化还原化学反应过程，其中氧气会与合金或金属内的一元素氧化结合而得到金属氧化物。之所以耐腐蚀，是因为不锈钢合金中含有的Cr元素触及到氧气以后，便可在表面上生成一层十分稳固的氧化膜（富铬）。这种物质会在存有氧化气体的条件下，瞬间生成到不锈钢表面。一旦钝化层出现，就可以优化金属耐腐蚀能力，并表现出一种独特的“惰性”，进而减缓氧化速率至极小的区域。

在金属与环境间，出现的腐蚀是电化学或化学反应所得，其能够诱发金属出现非预期特性改变，而削弱金属固有耐腐蚀能力。如果在一定的原因下，打破了不锈钢钝化层，溶解在水中的氧气便会和从金属内存在的Fe元素缓缓进行化学反应，而并生成疏松质地的氧化铁，进而在金属表面形成腐蚀性锈迹，也即红锈。

众所周知，水作为极弱的一类电解质，当水温为25℃时，其中的离子积kw=1×10^-14；而如果为100℃，则kw=55×10^-14。所以，在高温注射用水内，所含有的H⁺与OH^-浓度则会超出常温纯化水体系的，以至于游离状态下的铁离子会和水中分布的氢氧根离子进行更快的化学反应，最后便会生成氧化物（氧化铁），然后致使整个系统出现红锈。所以，位处高温环境条件下，系统在运作中就非常容易出现红锈。

二、红锈分类情况

根据反应进行的程度差异，可以把红锈划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3种类型。

Ⅰ型红锈又叫做迁移型红锈，其中含有诸多种源金属系列的衍生氧化物及有关氢氧化物，组成成分主要就是Fe₂O₃，并存极少的Fe（OH）₂、FeO等物质。这类红锈位处颗粒态，一般附着在不锈钢表面并且十分疏松，肉眼可见橙红色或橙色，存在由生成红锈点发展迁移至下游的形势。该Ⅰ型红锈特点多多，如容易生成及去除或复发等^[3]。后面的Ⅱ型红锈则是局部金属表面上出现的一种活性腐蚀，组成成分多为Fe₂O₃，色谱系列十分复杂：橙色、红色、蓝色、灰色、紫色至黑色。这种红锈会紧密附在不锈钢表面，如果形成后，则十分难除去，一般呈现出腐蚀缝隙、蚀坑等，并关联着卤化物的腐蚀现象。最后的Ⅲ型红锈则是在高温氧化后出现的黑色氧化物，一般出现在加热环境内（如纯蒸汽体系）氧化表面所得，组成成分多为Fe₃O₄，并随表面红锈层变厚，颜色也会由金色发展至蓝色，再形成深浅不统一的黑色。最初是稳定的一层膜，且多无颗粒态，整个晶体结构与稳定类磁铁矿石一致。

三、专业处理技术

1、处理Ⅰ类红锈的技术

在不锈钢表面上，一般很弱地附着Ⅰ类“红锈”，所以很容易除去、溶解这种物质。考虑到Ⅰ类“红锈”多是铁离子红色氧化物或赤铁矿物、其他碳成分或低含量氧化物，所以通过磷酸便可直接清除掉轻微铁锈，并能和硝酸、柠檬酸、蚁酸等有机酸及有效表面活性剂一起混合，来进一步改善除锈效果。基于柠檬酸主成分，再加入有机酸，则可有效除去“红锈”。针对Ⅰ类“红锈”，通过无水亚硫酸钠也属于有效又快速的一种理想去除法。

当温度提升至40～80℃后，这些化学物便会持续2～12h后起到作用。具体的作用时长、温度，则按“红锈”程度、化学物浓度、体现材料总的累积状况来确定。针对各类化学物浓度，一般通过专门的测试及工艺准则来确定。当前电化学清洗属于替代法之一，以替代磷酸进行清除。其中的阴极是产品触及表面，并通入直流电进行清除。由于会在被清洗表面来直接清除阳极，所以便极易清除“红锈”。该方法非常适合3类“红锈”，但是，只限于体系可触及表面，一般用以处理容器类型和物料触及表面。

2、处理Ⅱ类“红锈”的技术

通过化学方法，处理Ⅱ类“红锈”的工艺方法和上述极为相似。向溶液内加入草酸，并用以改善处理Ⅱ类“红锈”的整体效果。在这种“红锈”中，常常会存在铁离子氧化物或赤铁矿物，且并存一些铬镍氧化物、碳成分。以上这些化学物除锈剂，除了草酸外，都不会损伤到表面，只有草酸可能会因为工作环境及浓度，而腐蚀一定范围的表面。但是，相较于Ⅰ类“红锈”，会更难处理Ⅱ类“红锈”。同时，还常常会延长处理时间，甚至要求在具有稍高温度及溶液浓度下才能展开。

3、处理Ⅲ类“红锈”的技术

相较于Ⅰ类、Ⅱ类“红锈”，往往更加难以处理Ⅲ类。究其主要原因就是在化学组成成分、体系结构上不一样。该类高温沉积物多为锰铁氧化物，并且存在于混合物结构内的，还有铬、硅或镍的代替物。一般而言，这样的沉积物内部会存在很多的碳成分。原因主要就是水中降低有机物的量，在整个除锈环节，有时还会出现黑色膜或“污垢”。所以，处理这类“红锈”的药剂通常都是强腐蚀性化学物，并会从一定程度上直接腐蚀表面。基于磷酸主成分的除锈体系，则一般会有效处理极轻微的累积性“红锈”。用强有机酸与草酸、蚁酸的混合物，便可有效处理高温“红锈”，并且腐蚀性不强，潜在性腐蚀表面的风险不大。

通过氟化氢铵或氢氟酸联合硝酸、柠檬酸，则可迅速清处理Ⅲ类“红锈”，但是却会直接腐蚀触及除锈液的金属母材。具体的表面腐蚀情况或恶化粗糙度的状况，则由工艺环境、物质浓度、表面原始粗糙度、“红锈”厚改变等来决定。以上工艺可灵活更改使用环境下的时间、温度，以及时到达表面除锈与便捷钝化清洗目标。一些弱腐蚀性物质则用以高温（60～80℃）、长期触及（8～40h或以上）条件下；基于硝酸主物质的氟化物液体，则一般用以低温（环温-40℃）条件下；基于柠檬酸主物质的氟化物液体，则用以很高温、短时触及（2～24h）的条件下。

四、结语

　　综上所述，伴随国内现代化制药工业的飞快发展，不锈钢的需求量也变得更大，并且在质量上也提出了更高的要求。所以，针对不锈钢的常见红锈现象，便要求真正弄清形成机理，并有针对性地利用有效的处理技术，从根源上将其去除，以控制不锈钢体系质量，避免产生红锈风险。

参考文献

[1]高贤申,曹燕秋,周立法.不锈钢系统“红锈”形成的因素及消除方法——ASMEBPE非强制性附录D的介绍与解读[J].机电信息,2014(11):51-56.

[2]武目达,郭峰,王荣涛.一种适用于不锈钢槽道的检测方法[J].交通建设与管理,2020(04):128-129.

[3]姜进京,但文德,周林.汽车不锈钢与紧固件腐蚀机理浅析及解决方案[J].材料保护,2020,53(10):112-114.