在由水和氧構成的人類的生息環境中，幾乎所有實用金屬材料腐蝕后形成金屬和環境相互作用的產物－反應覆膜或者腐蝕生成物，這是從熱力學上知道的。像防銹一詞所代表的那樣，鐵在大氣中容易生銹，被腐蝕是金屬的一大缺點，可是像不銹(xiu)鋼、耐候鋼、鋁那樣生銹后形成耐蝕性優秀的穩定反應覆膜的“生銹”，也是金屬的特征。雖然鐵銹的生成是普通的現象，并且以電化學、平衡理論、速度理論、金屬學為基礎的腐蝕科學的發展和表面分析儀器最近也有了顯著的進步，但是人們對該現象的本質或行為還沒有充分解釋清楚。

  本文(wen)以鋼鐵(tie)(tie)(tie)大氣腐蝕有(you)(you)關(guan)的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)銹(xiu)(xiu)成(cheng)(cheng)分生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)過(guo)程和銹(xiu)(xiu)層為(wei)中心(xin)，結(jie)合作者(zhe)一系列(lie)相關(guan)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)，敘述至今為(wei)止(zhi)鐵(tie)(tie)(tie)銹(xiu)(xiu)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)遷、已(yi)經(jing)搞清(qing)楚和尚未解決(jue)的(de)(de)(de)(de)問題(ti)。另外，由于耐候鋼的(de)(de)(de)(de)出(chu)(chu)現，日本最初對(dui)鐵(tie)(tie)(tie)銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)關(guan)注是在1960年(nian)前后，研究(jiu)者(zhe)發表了有(you)(you)關(guan)從鐵(tie)(tie)(tie)離子水溶液生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)氫(qing)(qing)氧化鐵(tie)(tie)(tie)、氧化鐵(tie)(tie)(tie)、堿式(shi)氫(qing)(qing)氧化鐵(tie)(tie)(tie)及其特(te)性(xing),以及經(jing)過(guo)詳細(xi)歸納的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)關(guan)銹(xiu)(xiu)層的(de)(de)(de)(de)論文(wen)，最近也出(chu)(chu)版了有(you)(you)關(guan)銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)專著。

1. 銹(xiu)層的(de)發生(sheng)和鐵(tie)銹(xiu)的(de)成分

 大(da)氣(qi)腐蝕的(de)(de)初期，由(you)鋼材表面形(xing)成的(de)(de)水層和來自大(da)氣(qi)中的(de)(de)氧(yang)發生腐蝕反應。圖1是近代腐蝕科學的(de)(de)創始人Evans參考了1926年(nian)所進行的(de)(de)實驗，給出的(de)(de)由(you)于通(tong)氣(qi)差電池而引起的(de)(de)鐵銹發生模型。

在電(dian)解(jie)(jie)質(zhi)水溶液的(de)水滴的(de)中(zhong)央(yang)部（陽(yang)極部），發生金屬結合狀(zhuang)態的(de)鐵(tie)電(dian)離(li)水合的(de)溶解(jie)(jie)反應(ying)。

Fe→Fe²⁺+2e^-(陽極反應）（1)

（1) 式嚴密地說應該(gai)正(zheng)確寫成下式：

Fe+6H₂O→Fe(H₂O)²⁺+2e^-（2)

 該(gai)(gai)式(shi)表示(shi)在(zai)(zai)水(shui)(shui)(shui)中從金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)取出金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)離(li)子(zi)相當容易。水(shui)(shui)(shui)具有(you)非常(chang)高的(de)(de)(de)介電(dian)(dian)常(chang)數（室溫80).這意味著(zhu)從金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)結晶(jing)表面(mian)上金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)離(li)子(zi)向(xiang)水(shui)(shui)(shui)中轉(zhuan)移所需要的(de)(de)(de)能量(liang)，只不(bu)過是(shi)(shi)向(xiang)真空中轉(zhuan)移所需要的(de)(de)(de)能量(liang)的(de)(de)(de)1/80,并且水(shui)(shui)(shui)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)偶極矩大(da)(da)是(shi)(shi)1.85debye,水(shui)(shui)(shui)作為(wei)(wei)強(qiang)力溶(rong)劑有(you)溶(rong)解很多物質的(de)(de)(de)作用。把結晶(jing)中的(de)(de)(de)鐵(tie)升華成(cheng)為(wei)(wei)鐵(tie)原子(zi)，進一步除去2個(ge)電(dian)(dian)子(zi)電(dian)(dian)離(li)后變(bian)成(cheng)2價的(de)(de)(de)鐵(tie)離(li)子(zi)，需要非常(chang)大(da)(da)的(de)(de)(de)能量(liang)，約為(wei)(wei)2700 kJ/mol Fe(該(gai)(gai)值比(bi)穩定(ding)的(de)(de)(de)惰性氣(qi)體(ti)氦的(de)(de)(de)第一電(dian)(dian)離(li)能大(da)(da)）。然而，因為(wei)(wei)在(zai)(zai)Fe(Ⅱ)離(li)子(zi)周圍(wei)，按正八面(mian)體(ti)型包圍(wei)的(de)(de)(de)6個(ge)水(shui)(shui)(shui)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)配(pei)位結合的(de)(de)(de)穩定(ding)能與(yu)該(gai)(gai)值是(shi)(shi)同等大(da)(da)小，所以金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)作為(wei)(wei)水(shui)(shui)(shui)合金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)離(li)子(zi)在(zai)(zai)水(shui)(shui)(shui)溶(rong)液中容易移動。圖2表示(shi)出這一過程。換句話說，如果沒有(you)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)，水(shui)(shui)(shui)合離(li)子(zi)的(de)(de)(de)形成(cheng)是(shi)(shi)困難的(de)(de)(de)，在(zai)(zai)臨界濕度以下所看到非常(chang)緩(huan)慢的(de)(de)(de)鋼(gang)鐵(tie)的(de)(de)(de)大(da)(da)氣(qi)腐蝕速度就是(shi)(shi)這種例子(zi)。

另外(wai)，在圖1的外(wai)周部(bu)（陰極部(bu)）隨著鐵的溶解，殘(can)留在金屬中1 的電子和(he)溶解氧(yang)發(fa)生反應(ying)。

1/2 O₂+H₂O+2e^- →2OH^-(陰極反應）（3)

或者

1/2 O₂＋2H⁺+2e^-→H₂O(陰極反應）（4)

氧是通過自身還原(yuan)將鐵進(jin)行(xing)氧化的氧化劑。

 這樣一來，溶解析出的Fe(Ⅱ)離子就變成為和OH^-離子、H⁺離子、H₂O分子、共存陰離子等配位結合后的絡合物，它一邊受到空氣氧化和腐蝕環境因子的影響，一邊經過加水分解、縮聚、多核化或凝聚沉淀過程，在鐵表面上形成了膠體狀及固體的腐蝕生成物（所謂鐵銹）。在實際的大氣腐蝕上，在鐵表面上全部形成水膜，所以在表面上像圖1那樣存在著無數的宏觀陽極和宏觀陰極短路的局部電池，鐵表面腐蝕型的銹逐漸地沉積成層狀。這種鐵銹生成反應是復雜多變的，以下敘述至今為止所獲得的知識。

 鐵的腐蝕生成物歸納表示在表。在鋼鐵的大氣腐蝕中生成的主要結晶性銹成分是α-FeOOH(goethite;針鐵礦）、β－FeOOH(akaganeite;赤金礦）°、γ-FeOOH(lepidlocrocite;鮮鐵礦）的堿式氫氧化鐵和氧化鐵Fe₃O₄(magnetite; 磁鐵礦）。已經知道和這些結晶性銹成分一起在銹層中存在著相當量（20%~75%)的X射線無定形的銹物質（非晶質銹物質）。Fe(OH)₂及greenrusts(綠銹）是接觸到空氣容易氧化的中間生成物。

2. 含有鐵銹成分的電(dian)位－pH圖和平衡(heng)論

  為了知道在復雜的Fe-H₂O-O₂系中容易發生水溶液腐蝕反應的程度，根據熱力學的平衡論來進行研究是重要的。先回顧一下從1938年Pourbaix 提出了電位－pH圖（Pourbaix圖，腐蝕狀態圖）之后，把鐵銹成分考慮在內的Fe-H₂O系電位－pH圖的發展。

  首(shou)先(xian)，把(ba)(ba)我(wo)(wo)們(men)正在(zai)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)金屬材料在(zai)自然水環(huan)(huan)境中(zhong)的(de)(de)(de)(de)6200例的(de)(de)(de)(de)電位(wei)(wei)－pH分布表(biao)示(shi)在(zai)圖(tu)3。全(quan)部的(de)(de)(de)(de)實測值都位(wei)(wei)于被粗線所包圍(wei)的(de)(de)(de)(de)水的(de)(de)(de)(de)熱力學(xue)的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)區域內。pH值遍(bian)及礦水（酸性）～雨水～淡水（中(zhong)性）～海水（堿(jian)性），集(ji)中(zhong)在(zai)pH4~8范圍(wei)，可(ke)是(shi)氧化(hua)還(huan)原電位(wei)(wei)值卻分布在(zai)很寬的(de)(de)(de)(de)范圍(wei)內。圖(tu)4是(shi)由 Pourbaix 繪(hui)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)著名的(de)(de)(de)(de)表(biao)示(shi)有(you)(you)Fe-H2O系氧化(hua)物(wu)穩定(ding)區的(de)(de)(de)(de)電位(wei)(wei)－pH圖(tu)。圖(tu)5是(shi)在(zai)分析化(hua)學(xue)領域采用(yong)(yong)了(le)電位(wei)(wei)－pH圖(tu)的(de)(de)(de)(de)Charlot的(de)(de)(de)(de)著作(zuo)中(zhong)所表(biao)示(shi)的(de)(de)(de)(de)最(zui)初考慮了(le)中(zhong)間生(sheng)(sheng)(sheng)成物(wu)－綠色(se)氫(qing)氧化(hua)物(wu)（green rust)的(de)(de)(de)(de)電位(wei)(wei)－pH圖(tu)。以(yi)(yi)后，在(zai)大氣(qi)腐蝕的(de)(de)(de)(de)主要(yao)鐵銹成分－堿(jian)式氫(qing)氧化(hua)鐵或(huo)(huo)鐵銹反應中(zhong)，需要(yao)把(ba)(ba)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)可(ke)溶(rong)性Fe(II)離(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)FeOH+等(deng)考慮在(zai)內的(de)(de)(de)(de)Pourbaix圖(tu)，而繪(hui)制(zhi)了(le)作(zuo)者的(de)(de)(de)(de)電位(wei)(wei)－pH圖(tu)，把(ba)(ba)它(ta)表(biao)示(shi)在(zai)圖(tu)6。受(shou)過Pourbaix教授指導的(de)(de)(de)(de)Detournay等(deng)也引(yin)用(yong)(yong)了(le)我(wo)(wo)們(men)投稿論(lun)文，相繼發表(biao)了(le)確認(ren)green rust Ⅱ(綠銹Ⅱ)穩定(ding)區的(de)(de)(de)(de)電位(wei)(wei)－pH圖(tu)（圖(tu)7).Silverman最(zui)近研(yan)究了(le)位(wei)(wei)于圖(tu)4的(de)(de)(de)(de)Fe/Fe3O4之間的(de)(de)(de)(de)Fe(OH)2穩定(ding)存在(zai)區。更進一步(bu)通過使用(yong)(yong)以(yi)(yi)上(shang)文獻或(huo)(huo)者有(you)(you)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據手冊,可(ke)以(yi)(yi)進行含有(you)(you)鐵離(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)其他金屬離(li)子(zi)(zi)或(huo)(huo)化(hua)學(xue)物(wu)種水溶(rong)液中(zhong)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)狀(zhuang)態或(huo)(huo)沉(chen)淀物(wu)（固相腐蝕生(sheng)(sheng)(sheng)成物(wu)）的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)成、溶(rong)解(jie)度等(deng)平衡論(lun)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究。最(zui)近不僅繪(hui)制(zhi)了(le)常溫而且也繪(hui)制(zhi)了(le)高溫水或(huo)(huo)地熱環(huan)(huan)境等(deng)高溫度下的(de)(de)(de)(de)鐵系電位(wei)(wei)－pH圖(tu)。

 其次，把這些在常溫下含有鐵銹成分的Fe-H₂O系電位－pH圖，應用于實際的鐵銹生成現象，就可以得到幾個平衡論的適用界限。最近，佐藤教南教授執筆的優秀腐蝕防蝕連載講義敘述的電位－pH圖的制作及應用的方法與觀點，在鐵銹的電位-PH圖的場合也會成為重要的指導，即：

  a.  例如在(zai)(zai)圖(tu) Fe(Ⅱ)氫(qing)氧(yang)化(hua)物覆膜的(de)(de)兩(liang)個生成(cheng)途徑上所看到的(de)(de)那樣，在(zai)(zai)平衡理(li)論上二者的(de)(de)反應途徑不能(neng)夠區別(bie)。在(zai)(zai)鐵銹生成(cheng)中如后(hou)述(shu)那樣，可溶性(xing)及固相的(de)(de)反應中間體是重要因子(zi)，它的(de)(de)組成(cheng)和(he)結構、Fe(Ⅱ)離子(zi)的(de)(de)氧(yang)化(hua)速度以及其他(ta)的(de)(de)腐蝕支(zhi)配因子(zi)決(jue)定(ding)以后(hou)的(de)(de)腐蝕生成(cheng)物的(de)(de)種類和(he)性(xing)能(neng)，對(dui)這種現象的(de)(de)解釋(shi)必須借助(zhu)(zhu)于(yu)速度理(li)論或溶液(ye)化(hua)學、膠體化(hua)學的(de)(de)幫助(zhu)(zhu)。

  b.  在Pourbaix電位－pH圖中示出的Fe₂O₃氧化物覆膜一旦把金屬表面完全包覆，鐵就處于鈍化狀態。可是像大氣腐蝕初期的鐵銹層那樣，腐蝕生成物（氫氧化物、氧化物、堿式氫氧化物）不能把鐵表面完全包覆，作為膠體狀或者沉淀物粉體不均勻附著在表面上的狀態因情況不同而異。在金屬鐵表面與水溶液接觸的部分進行溶解，另外溶解析出的鐵離子受到空氣氧化，同時形成缺乏保護性氧化物的反應（稱為氧化物生成型腐蝕)。這樣生成的氧化物粉體雖然在平衡論上是穩定區，可是它們集合而成的鐵銹層的形態或保護性（致密性，黏附性）等銹覆膜的性能及其防蝕效果，超出了平衡論的范圍是必須解決的課題。

   c.  電位(wei)－pH圖是(shi)使(shi)用(yong)穩(wen)定的(de)(de)化學(xue)物(wu)(wu)種的(de)(de)化學(xue)電位(wei)值，是(shi)在假(jia)定金屬表面(mian)發生均(jun)勻(yun)(yun)腐蝕反應條件下(xia)繪(hui)制的(de)(de)。已經知道(dao)一般表面(mian)吸附(fu)(fu)物(wu)(wu)種的(de)(de)化學(xue)電位(wei)處于(yu)高的(de)(de)狀態，在腐蝕反應中這(zhe)些吸附(fu)(fu)物(wu)(wu)種起著重要作用(yong)。在金屬表面(mian)上也有物(wu)(wu)理的(de)(de)、化學(xue)的(de)(de)不(bu)均(jun)勻(yun)(yun)性。在鐵銹(xiu)(xiu)反應下(xia)的(de)(de)水分(fen)子或二(er)氧化硫的(de)(de)附(fu)(fu)著和(he)吸附(fu)(fu)、毛細管(guan)作用(yong)、銹(xiu)(xiu)層的(de)(de)不(bu)均(jun)勻(yun)(yun)性等不(bu)能夠(gou)納入宏觀的(de)(de)熱力學(xue)標(biao)準。

3. 鐵銹的生成過程

 把以前(qian)提(ti)出(chu)的(de)鐵(tie)(tie)銹生成(cheng)路(lu)程圖分成(cheng)鐵(tie)(tie)銹成(cheng)分和鐵(tie)(tie)銹層(ceng)的(de)兩(liang)種圖，按(an)發(fa)表年代的(de)順序(xu)看(kan)，顯得(de)比較簡(jian)單，然而對(dui)復(fu)雜鐵(tie)(tie)銹生成(cheng)現(xian)象提(ti)出(chu)異(yi)議的(de)先輩(bei)受最早的(de)生成(cheng)路(lu)程圖啟發(fa)，在推進(jin)發(fa)展的(de)過程中(zhong)，能(neng)夠原封不動看(kan)到鐵(tie)(tie)銹研究歷史的(de)一部(bu)分，使人感到十(shi)分有(you)趣。

 a. 鐵銹成分的(de)生成路程(cheng)圖

  1928年柏林的Deiss和Schikorr 歸納所做的氫氧化亞鐵的氧化實驗，給出的圖9可能是最早的鐵銹成分的生成圖。他們當時已經考慮了鐵的水溶液腐蝕是從通過Fe的溶解所形成的Fe(OH)₂開始，在充分的氧的供給下經過非晶質氫氧化物，形成α-Fe₂O₃·H₂O(α-FeOOH);在氧供給不充分時生成綠銹（greenrust),形成γ-Fe2O3·H2O(γ-FeOOH);而在氧供給更不足時綠銹變成Fe3O4的過程。以后，這種中間生成物綠銹引起了日本物理學者的注意，吉岡、阿部用電子衍射及X射線衍射，進行了以綠銹為中心的鐵銹詳細的結晶化學研究，在戰后不久發表了圖10的生成圖。大約在10年后，Mackay和Bernal根據礦物結晶學的立場歸納了隨著氧化物－氫氧化物系的氧化和脫水、加熱的結構變化，發表了圖11，所示的系統圖。在Mackay圖上記載的綠銹I、綠銹Ⅱ及4種堿式氫氧化鐵是非常有用的，可是因為只涉及固相變化，所以在水溶液中鐵銹生成路程上應用時則受到限制。因此作者等進行了從鐵離子水溶液生成銹成分的一系列實驗，重新采用Fe(Ⅱ)離子、Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)綠色絡合物、Fe(Ⅲ)離子等的溶解鐵離子或無定形堿式氫氧化鐵，把Fe(Ⅱ)離子溶液的 pH值和氧化程度作為標度的常溫鐵銹成分的生成過程，歸納發表了圖12出示的生成路程圖。我們的圖和Mackay圖以后經常被涉及鐵銹生成的研究論文引用或質疑。但是，怎么也不會有把實際的復雜的鐵銹生成反應完全解決的圖，仍有許多不完備和不清楚的問題。其中的幾個問題將在下一節和今后留下的問題聯系起來進行介紹。最近McEnaney和 Smith研究了鑄鐵、Kassim等研究了純鐵的銹生成，把我們的從Fe(Ⅱ)離子水溶液的鐵銹成分的生成過程擴大發展到金屬鐵表面上的鐵銹生成。特別 McEnaney 等把在圖12 中沒有考慮的γ-FeOOH的還原過程。

Y-FeOOH(外層）→Fe₃O₄(內層）（5)

  作為形成(cheng)銹層的(de)(de)腐蝕電(dian)池內的(de)(de)電(dian)化學(xue)反應(ying)（后(hou)述）的(de)(de)陰極反應(ying)，考察了在溶解－沉淀機(ji)構中的(de)(de)進行情況。圖(tu)13是(shi)Kassim等(deng)用(yong)電(dian)鏡觀察所(suo)得到的(de)(de)鐵(tie)銹生(sheng)成(cheng)的(de)(de)論文中，總結了以前發表(biao)的(de)(de)Mackay等(deng)（圖(tu)11)、三澤等(deng)（圖(tu)12)和McEnaney等(deng)的(de)(de)3個圖(tu)簡化表(biao)示的(de)(de)鐵(tie)銹生(sheng)成(cheng)圖(tu)。

 b. 鐵銹層的形成和組(zu)織變化的模(mo)式圖

 對鋼鐵表面銹層的(de)形(xing)成、組織結(jie)構變化以及銹層防蝕作用的(de)研(yan)究是(shi)從1961年(nian)開(kai)始的(de)，那時耐候鋼的(de)出現引(yin)起人們(men)的(de)注意。

  根據Evans或久松的研究，在大氣腐蝕機構中，存在的銹層對鋼基體的電離作為強氧化劑起作用，因此強調了研究有銹層鋼的電化學行為的必要性。圖14示出了Evans根據實驗提出的由外層FeOOH和內層Fe₃O₄的2層構成的銹層的電化學腐蝕模型。在金屬鐵／Fe₃O₄界面XX'上發生陽極反應：

在銹層內進行Fe(Ⅲ)向Fe(Ⅱ)的還原反應。然而由于生成的Fe₃O₄不穩定，所以暴露在大氣的氧中容易被再氧化

3 Fe₃O₄+0.75 O₂+4.5H₂O→9FeOOH

通過該反(fan)應(ying)生成(cheng)Fe(II)堿式氫(qing)氧化物。鈴木等(deng)作為結晶性成(cheng)分使用含有γ-FeOOH、Fe₃O4、α-FeOOH的銹層電極，研究了由γ-FeOOH向Fe₃O₄的陰極還原行為，受到電化學還原的銹物質的主體是用X射線衍射不能鑒定的中間物質，被徹底還原的Fe₃O₄不容易受到再氧化，根據這一事實考慮了有銹層鋼腐蝕的二重電極系模型。最近Keiser等通過拉曼光譜和紅外線光譜法研究了附著在耐候鋼基體表面上的各種銹成分的覆膜隨著干濕空氣氧化及電化學還原的銹變化。通過式（7)中的Fe₃O₄覆膜的氧化生成了γ-FeOOH,可是該反應受基體金屬的種類和覆膜處理水的影響,在進行各種堿式氫氧化物的陰極還原時，雖然γ-、8-、無定形－FeOOH被還原成Fe₃O₄,可是發現a-FeOOH沒有變化。并且如前所述，McEnaney等發表了在（5)、（6)式表示出的由γ-FeOOH向Fe₃O₄的還原反應不是局部化學的固相變態，而取決于溶解－沉淀生成機構。這樣，有銹層鋼的銹構成成分的電化學的組織變化，以所提出的在銹層腐蝕電池中的FeOOH向Fe₃O₄的還原反應的Evans模型作為轉機正在被逐漸搞清楚。

 已經知道大氣腐蝕生成的鋼鐵的銹層，是由致密黏附的內層和粗松附著的外層的二重結構形成的。銹層組織會受到顯著促進大氣腐蝕速度的污染因子SO2的影響，根據這一觀點也發表過幾篇研究報告。把其中Stuttgart學派的腐蝕研究者之一的Schwarz所得到的在銹層內層／鋼界面附近生成的硫酸鹽的聚集體（將此稱為巢）的模式圖表示在圖15。銹中的硫酸鹽集中在陽極部分形成巢，加快該部分的腐蝕，并在銹層中生成宏觀的缺陷（巢）。指出了殘留在鋼基體凹坑中的巢的位置與覆膜損傷的發生位置對應。圖16并列給出了大氣腐蝕初期外層銹的主要成分γ-FeOOH,隨著以后的暴曬時間，通過溶解－沉淀機構形成無定形堿式氫氧化物的過程，以及在氧供給不充分的內層由 green rusts(綠銹）生成的Fe₃O₄氧化成為γ-FeOOH和γ-FeOOH的還原過程。山崎根據詳細的觀察用圖表示出濕潤和干燥條件下的銹層形成過程，并且McEnaney等用圖分別表示出50℃溫水中的鋼鐵表面的銹層的發生和銹膜形成的過程。最近Tomlinson提出了在高溫水中的碳素鋼的二層腐蝕生成物膜的生成模式圖。

 回顧(gu)過(guo)(guo)去，從(cong)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)溶解離子反(fan)(fan)(fan)應、沉淀物(wu)生(sheng)成(cheng)反(fan)(fan)(fan)應、沉淀物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)質(zhi)和反(fan)(fan)(fan)應性(xing)等立場上來(lai)看(kan)，已(yi)有鐵(tie)離子水溶液中腐蝕生(sheng)成(cheng)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)銹(xiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，另外，從(cong)具(ju)有表面腐蝕生(sheng)成(cheng)物(wu)膜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)銹(xiu)層鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電化(hua)學反(fan)(fan)(fan)應或防(fang)蝕作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)立場來(lai)看(kan)，金(jin)屬鐵(tie)表面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)銹(xiu)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)已(yi)經開展起來(lai)。今后通過(guo)(guo)把兩者(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)途徑相(xiang)互融合進(jin)行研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，鐵(tie)銹(xiu)現象將(jiang)會被(bei)逐漸搞清楚，可(ke)以期待不(bu)久詳(xiang)細的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)銹(xiu)生(sheng)成(cheng)過(guo)(guo)程(cheng)圖將(jiang)會完成(cheng)。圖17是(shi)佐藤提出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-H2O系的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐蝕反(fan)(fan)(fan)應圖，暫且不(bu)談實際進(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)應途徑是(shi)哪(na)一個，其(qi)特點是(shi)根據金(jin)屬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)直(zhi)接陽極氧化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)覆膜生(sheng)成(cheng)和沉淀覆膜生(sheng)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩者(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觀點考(kao)慮了反(fan)(fan)(fan)應途徑。

4. 今后(hou)的課題

鐵銹的(de)(de)研究經(jing)過以前(qian)很多研究者的(de)(de)努力雖然(ran)已經(jing)發展起來，但(dan)是(shi)仍有尚未解(jie)釋清楚的(de)(de)問題或今后有待研究的(de)(de)課(ke)題。現把想到的(de)(de)幾個(ge)問題提(ti)出來。

 a. 綠銹（green rusts)的(de)組成

  green rust I及I的結晶結構，由(you)Bernal等確認，已經收錄在ASTM的X射線衍射文件卡片中(zhong)。

  b. 無定(ding)形的銹物(wu)質(zhi)（非晶質(zhi)銹物(wu)質(zhi)）

  如(ru)前所述(shu)，鋼(gang)鐵(tie)大氣腐蝕形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)銹(xiu)(xiu)層(ceng)中經(jing)常(chang)存在(zai)不能清(qing)楚顯示X射線(xian)(xian)(xian)衍(yan)射圖(tu)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)銹(xiu)(xiu)物質(zhi)(zhi)(zhi)。我們使用(yong)能給予銹(xiu)(xiu)分(fen)子振動光譜(pu)情報(bao)的(de)(de)紅外(wai)線(xian)(xian)(xian)光譜(pu)法(fa)，首先鑒(jian)定(ding)(ding)(ding)并(bing)發表(biao)了(le)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)銹(xiu)(xiu)物質(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)(shi)(shi)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)堿式(shi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)（組成(cheng)(cheng)分(fen)析(xi)(xi)為FeO2(OH)3-2x,x=0.4)。用(yong)X射線(xian)(xian)(xian)衍(yan)射法(fa)進(jin)行銹(xiu)(xiu)層(ceng)的(de)(de)定(ding)(ding)(ding)量分(fen)析(xi)(xi)表(biao)明(ming)，X射線(xian)(xian)(xian)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)銹(xiu)(xiu)物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)量和(he)用(yong)紅外(wai)線(xian)(xian)(xian)光譜(pu)法(fa)定(ding)(ding)(ding)量的(de)(de)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)堿式(shi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)非(fei)(fei)常(chang)一(yi)致(zhi)。最近，小林和(he)宇田就非(fei)(fei)晶質(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)凝(ning)膠進(jin)行了(le)詳細(xi)的(de)(de)結(jie)晶化(hua)(hua)學(xue)研究，表(biao)明(ming)這種凝(ning)膠化(hua)(hua)學(xue)組成(cheng)(cheng)是(shi)(shi)(shi)FeOOH·nH2O（nH2O是(shi)(shi)(shi)吸(xi)附水(shui)分(fen)），其凝(ning)膠結(jie)構(gou)模型已(yi)暗示出(chu)可(ke)以適用(yong)于耐候(hou)性(xing)銹(xiu)(xiu)層(ceng)或初期氧(yang)(yang)化(hua)(hua)覆膜結(jie)構(gou)。在(zai)我們研究鐵(tie)銹(xiu)(xiu)的(de)(de)期已(yi)經(jing)報(bao)道(dao)了(le)有無(wu)(wu)序的(de)(de)結(jie)晶構(gou)造的(de)(de)8-FeOOH(堿式(shi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)之中惟(wei)一(yi)帶(dai)有鐵(tie)磁性(xing)的(de)(de)銹(xiu)(xiu)成(cheng)(cheng)分(fen)）也常(chang)常(chang)在(zai)X射線(xian)(xian)(xian)上(shang)給出(chu)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)衍(yan)射圖(tu)形(xing)(xing)(xing)(xing)。無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)FeOOH和(he)8-FeOOH的(de)(de)紅外(wai)線(xian)(xian)(xian)吸(xi)收光譜(pu)表(biao)明(ming)有相似的(de)(de)吸(xi)收帶(dai)。Keiser等(deng)(deng)最近用(yong)拉(la)曼光譜(pu)能夠清(qing)楚地區別這兩種堿式(shi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)，耐候(hou)鋼(gang)銹(xiu)(xiu)內(nei)層(ceng)在(zai)γ及α-FeOOH之上(shang)的(de)(de)主要成(cheng)(cheng)分(fen)是(shi)(shi)(shi)8-FeOOH.X射線(xian)(xian)(xian)無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)銹(xiu)(xiu)物質(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)(shi)(shi)否等(deng)(deng)于無(wu)(wu)定(ding)(ding)(ding)形(xing)(xing)(xing)(xing)堿式(shi)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)，希望包括非(fei)(fei)化(hua)(hua)學(xue)計量學(xue)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)研究在(zai)內(nei)，進(jin)一(yi)步從(cong)多方面的(de)(de)狀態分(fen)析(xi)(xi)所得到的(de)(de)非(fei)(fei)晶質(zhi)(zhi)(zhi)銹(xiu)(xiu)物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)結(jie)構(gou)化(hua)(hua)學(xue)及性(xing)質(zhi)(zhi)(zhi)進(jin)行證實。

  c. FeOOH的還原及Fe₃O₄的氧化

 關于在銹層中的由FeOOH的電化學還原而引起的Fe₃O₄的生成和由Fe₃O₄的氧化而引起的γ-FeOOH的生成，已在4.2節進行了敘述。各種堿式氫氧化鐵之中，α-FeOOH為什么通過陰極還原不發生變化，通過Fe₃O₄的氧化最初生成的Fe(Ⅱ)銹是γ－FeOOH等理由還不清楚。作為鐵離子水溶液反應或結構化學的鐵銹生成研究成果已經知道有：（1)Fe₃O₄(逆尖晶石型）和γ-FeOOH(斜方晶）的氧原子的疊層都是同樣的密集立方型;（2)γ-FeOOH不能從不含有Fe(II)的Fe(II)的鐵離子水溶液生成，在約30℃以上的溶液溫度下生成是困難的;(3)在熱力學上α-FeOOH比γ-FeOOH穩定等。一同考慮這些原因，需要進一步研究這些銹成分電化學的氧化還原行為。

  d. β-FeOOH和氯(lv)離子

 生成時(shi)不可(ke)缺少Cl-的(de)共存，為(wei)實現β-FeOOH結構穩定(ding)化的(de)Cl-的(de)作用也不十分清楚。β-FeOOH對SO2有活(huo)性已經(jing)由井上等(deng)發現，是海洋氣(qi)氛的(de)鐵銹(xiu)中經(jing)常(chang)一起存在的(de)銹(xiu)成分。

e. 銹生成環(huan)境和銹成分(fen)的特征

  表2出示了鋼鐵在大氣暴曬環境和生成銹成分的大致關系。考慮了pH標度的鐵銹生成路程圖（圖12、圖16)能夠定性地說明：在SO2濃度高的工業地區的鋼的銹層中Fe₃O₄少，在海岸地區的銹層中Fe₃O₄多，并與β-FeOOH共存。腐蝕生成物是水、空氣、其他化學物種等的腐蝕環境和所使用的金屬材料相互作用的產物。所以，包括腐蝕速度或腐蝕形態在內的銹特性和環境的特征，關系到腐蝕事故的調查、防止對策或腐蝕現象的預測，是今后的重要課題。

 f. 考慮電化學的氧化還原的鐵銹系生成過(guo)程(cheng)圖的制作

 希望能夠在以上指出的各種鐵銹反應過程上加進構成鐵鈍化覆膜氧化物的γ-Fe₂O₃知識的鐵銹系統圖。

g. 銹(xiu)的性質和反應性、防蝕作用(yong)

  作(zuo)者認為這(zhe)是非常(chang)重要(yao)(yao)的(de)(de)、基礎的(de)(de)研究(jiu)課題(ti)。坂下(xia)、佐藤的(de)(de)腐蝕生成物膜的(de)(de)離(li)子透過性(xing)、井上(shang)等的(de)(de)銹(xiu)(xiu)成分(fen)結構(gou)(gou)和(he)(he)反應性(xing)、田村(cun)和(he)(he)永(yong)山等的(de)(de)Fe(Ⅱ)離(li)子空(kong)氣氧(yang)化(hua)機構(gou)(gou)或(huo)氧(yang)化(hua)鐵(tie)的(de)(de)離(li)子吸附性(xing)、古(gu)市等的(de)(de)沉淀(dian)氧(yang)化(hua)鐵(tie)陳化(hua)結構(gou)(gou)變化(hua)或(huo)溶(rong)解性(xing)、增(zeng)子和(he)(he)久松的(de)(de)類似(si)鐵(tie)銹(xiu)(xiu)膠(jiao)體(ti)凝聚體(ti)（人工(gong)銹(xiu)(xiu)）、松島和(he)(he)上(shang)野的(de)(de)使用自動射線照相的(de)(de)銹(xiu)(xiu)層(ceng)缺陷部或(huo)銹(xiu)(xiu)層(ceng)極(ji)化(hua)特性(xing)等許(xu)多重要(yao)(yao)的(de)(de)研究(jiu)成果已經發表，希望今后能(neng)夠得到發展(zhan)。

 h. 耐(nai)候性（耐(nai)大氣腐蝕性）優(you)秀的銹層

 耐候鋼形成致密黏附性良好的穩定銹層之后，因為大氣腐蝕速度顯著減小，所以“用銹層抑制銹的鋼”是人所皆知的。關于承擔耐候性保護性的穩定銹層的實質及其防蝕效果，日本的研究者結合Cu、P、Cr等的有效添加元素的作用機構，一直在進行著積極地探索。岡田通過偏光顯微鏡發現的耐候性銹層內的非偏光層（推定為Fe₃O₄),以及我們發現的含有相當的結合水的耐候鋼的無定形堿式氫氧化鐵，被認為分別對致密而且黏附性良好的耐候性銹層的形成做出了貢獻。耐候鋼無涂漆使用具有無維修的優點，而且是在工業地區耐候性特別顯著的耐蝕低合金鋼。根據再涂漆費用的大幅度上升或鋼鐵資材節約等社會形勢的變化來看，可以期待耐候鋼今后的應用將會擴大。和銹穩定化處理等實用技術配合在一起，適合日本情況的防蝕效果好的耐候性銹層的結構、性質、反應性的研究將會有更進一步地發展。

 i. 涂膜下(xia)的銹(xiu)反應(ying)

 涂(tu)漆(qi)是鋼鐵(tie)結構物的簡便而且可靠(kao)的防(fang)蝕手段，與涂(tu)膜(mo)的防(fang)蝕功能有關系，涂(tu)膜(mo)下腐(fu)蝕的發生和進行(xing)，無論在基礎上(shang)或者實用上(shang)來看也是重(zhong)要的研(yan)究(jiu)課(ke)題之一。

5. 鐵銹研究的進(jin)步

 耐(nai)(nai)候鋼(gang)是U.S.Steel公司把廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)低合金鋼(gang)試料進(jin)行了(le)(le)長達(da)20年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)氣暴曬試驗之后而(er)獲(huo)得成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)(de)（1961年(nian)在倫敦第一(yi)次(ci)國際金屬腐(fu)蝕(shi)(shi)會(hui)(hui)議上(shang)發(fa)表(biao)），它的(de)(de)(de)(de)(de)出現吸引了(le)(le)腐(fu)蝕(shi)(shi)研(yan)(yan)究(jiu)者對(dui)銹(xiu)層的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)心(xin)。已經介紹(shao)了(le)(le)日(ri)本的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)者對(dui)這種(zhong)耐(nai)(nai)候鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)銹(xiu)層結(jie)構及其(qi)防蝕(shi)(shi)作(zuo)(zuo)用，積極開展了(le)(le)大(da)(da)氣腐(fu)蝕(shi)(shi)銹(xiu)或銹(xiu)成(cheng)分的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)，發(fa)表(biao)了(le)(le)比世界其(qi)他國家更多的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)成(cheng)果。這一(yi)時期，我認為對(dui)銹(xiu)研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)心(xin)達(da)到最(zui)高潮是1967年(nian)（昭和42年(nian)）召開的(de)(de)(de)(de)(de)“耐(nai)(nai)候鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)銹(xiu)及其(qi)防蝕(shi)(shi)效(xiao)果”的(de)(de)(de)(de)(de)討論會(hui)(hui)（日(ri)本鐵(tie)鋼(gang)協會(hui)(hui)第74次(ci)大(da)(da)會(hui)(hui)、北海道大(da)(da)學）。從那(nei)以后，可能(neng)認為耐(nai)(nai)候鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)銹(xiu)的(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題已經解決了(le)(le)，在60年(nian)代(dai)盛行一(yi)時的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)于鐵(tie)銹(xiu)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)出現“停(ting)滯傾向(xiang)”，井(jing)上(shang)教授在著書《銹(xiu)的(de)(de)(de)(de)(de)科學》中指出這也許是忽(hu)(hu)熱忽(hu)(hu)冷(leng)的(de)(de)(de)(de)(de)日(ri)本人(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)姿態的(de)(de)(de)(de)(de)片面性（本稿(gao)作(zuo)(zuo)者也不例(li)外(wai)）。從引用文獻的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)表(biao)年(nian)度來看(kan)，最(zui)近10年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)于鐵(tie)銹(xiu)或大(da)(da)氣腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)報告沒有世界其(qi)他各國的(de)(de)(de)(de)(de)多，好像還在堅持研(yan)(yan)究(jiu)。

 從日本國民生(sheng)產總值（GNP)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)2%是由腐(fu)(fu)蝕引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)龐大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)直接損失和(he)節省資源的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觀點，在社(she)會對防(fang)銹十(shi)分關(guan)心的(de)(de)(de)(de)(de)(de)今天，鐵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)氣(qi)腐(fu)(fu)蝕或水(shui)溶液(ye)腐(fu)(fu)蝕、海(hai)洋開發、輕(qing)水(shui)反應堆－地熱－熱化學能裝置材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高溫水(shui)腐(fu)(fu)蝕，還有(you)磁性材(cai)料(liao)粉末、廢棄物(wu)處理、資源再利用(yong)、功能材(cai)料(liao)氧化物(wu)及(ji)半導體等廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相關(guan)領(ling)域(yu)中，以此作為背景的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是具有(you)“新(xin)舊需求”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵銹的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)。它與過(guo)時的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)趨勢沒(mei)有(you)關(guan)系，涉(she)及(ji)領(ling)域(yu)多。但愿對鐵生(sheng)銹的(de)(de)(de)(de)(de)(de)這一基本而實(shi)際的(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)解(jie)釋和(he)防(fang)止的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)能有(you)更(geng)進一步的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)。本文僅是作者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粗(cu)淺而不全(quan)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)認識(shi)，然而卻是在力圖(tu)總結(jie)鐵銹的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)成現狀和(he)展(zhan)望將來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)，如能得(de)到(dao)指教將感到(dao)榮幸。

 向建(jian)議本文(wen)執筆的北(bei)大(da)名譽教(jiao)授岡本剛(gang)先生(sheng)（現東京理科(ke)大(da)學）以及北(bei)大(da)教(jiao)授永山政一先生(sheng)、佐藤教(jiao)男先生(sheng)表示感(gan)謝(xie)。向給予筆者進(jin)行鐵銹和金屬材料腐(fu)蝕(shi)研(yan)究機會(hui)的東北(bei)大(da)學教(jiao)授下平三郎先生(sheng)表示衷(zhong)心地(di)感(gan)謝(xie)。