不同表面狀態(tài)熱鍍鋅板耐腐蝕性能研究

王昭云，楊建寬，姜麗梅，姜景榮，張 姝

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

每年因鋼鐵材料腐蝕導(dǎo)致的金屬材料報(bào)廢量巨大，這不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也不符合鋼鐵材料綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念。因此，為了節(jié)約鋼材并保證鋼鐵材料的正常使用，必須解決鋼材腐蝕的問題。在鋼鐵材料表面鍍鋅是一種應(yīng)用廣泛的防腐措施，由于鋅的電極電位比鐵的電極電位低，可以起到陰極保護(hù)的作用，同時(shí)鋅在鋼板表面能阻止鋼和大氣接觸，也具有隔離保護(hù)的作用，所以在鋼鐵材料表面鍍鋅作為陽極防護(hù)性鍍層，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的防止鋼鐵材料腐蝕的方法[1-3]。

熱鍍鋅產(chǎn)品因其良好的耐蝕性、焊接性和成形性，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑等領(lǐng)域。在大氣環(huán)境中鋅表面會(huì)形成一層致密的氧化物薄膜，它不僅可以保護(hù)鋅層本身，也可以保護(hù)鋼材基體。對鍍鋅鋼板表面進(jìn)行涂油、鈍化等方式處理后，可以改善鍍鋅層的表面光澤和結(jié)構(gòu)，提高鍍鋅層的耐蝕性，延長鋼板的使用壽命[4]。

根據(jù)鍍鋅板的用途合理地選擇表面鋅層結(jié)構(gòu)及后處理方式可以有效減少因鋅層及鋼板腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也可以減少過度保護(hù)帶來的浪費(fèi)。因此對不同表面狀態(tài)的鍍鋅板耐腐蝕性能進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)研究顯得尤為重要。

各行業(yè)一般均選擇中性鹽霧試驗(yàn)作為快速評價(jià)鍍鋅板耐腐蝕性能的手段。本研究通過中性鹽霧試驗(yàn)，系統(tǒng)探究了鋅層形貌及后處理方式對鍍鋅板耐腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料：本研究選擇了市場需求最多的四種表面狀態(tài)的熱鍍鋅板探究其耐腐蝕性能，選取了相同厚度及鋅層重量的樣板作為檢測樣板，避免因試樣厚度及鋅層重量不同對鹽霧試驗(yàn)結(jié)果造成影響。所用鹽霧試驗(yàn)材料詳細(xì)情況如表1所示。

表1 鹽霧試驗(yàn)樣板情況

試驗(yàn)方法：試驗(yàn)設(shè)備為鹽霧試驗(yàn)箱，將四種不同表面狀態(tài)的樣板邊緣用膠帶密封后放入鹽霧箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，測試條件按照GB/T 10125-2012標(biāo)準(zhǔn)(見表2)執(zhí)行。

表2 中性鹽霧試驗(yàn)測試條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

鋅層的腐蝕主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕導(dǎo)致，相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)：Zn-2e-→Zn2+

陰極反應(yīng)：O2+H2O+4e-→4OH-

反應(yīng)產(chǎn)物：Zn+4OH-→Zn(OH)2→ZnO·H2O

鍍鋅板在日常存儲(chǔ)條件下氧化腐蝕十分緩慢，但當(dāng)其受潮后，容易造成電化學(xué)腐蝕，鍍鋅板表面很快就會(huì)出現(xiàn)白銹，銹蝕產(chǎn)物主要為堿式氧化鋅。當(dāng)鍍鋅板表面鋅層腐蝕完后，就會(huì)開始腐蝕鋼基體，使基體表面出現(xiàn)紅銹[5-6]。

本研究記錄了鍍鋅板在鹽霧箱內(nèi)白銹面積達(dá)到5%、100%以及紅銹面積達(dá)到5%的周期，并以紅銹面積達(dá)到5%的時(shí)間作為最終評價(jià)鍍鋅板耐鹽霧腐蝕性能標(biāo)準(zhǔn)。表3為四種表面狀態(tài)的熱鍍鋅板典型銹蝕狀態(tài)。

2.1 白銹出現(xiàn)周期

圖1表示4種表面狀態(tài)的熱鍍鋅板在中性鹽霧試驗(yàn)中白銹面積的變化周期。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出：

圖1 白銹面積變化趨勢

(1)1#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中白銹面積達(dá)到5%、100%的時(shí)間分別為5小時(shí)、24小時(shí)。

(2)2#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中白銹面積達(dá)到5%、100%的周期最長，分別為432小時(shí)、1 008小時(shí)。

(3)3#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中56小時(shí)白銹面積達(dá)到5%，432小時(shí)白銹面積達(dá)到100%。

(4)4#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中96小時(shí)白銹面積達(dá)到5%，672小時(shí)白銹面積達(dá)到100%。

2.2 紅銹出現(xiàn)周期

圖2表示4種表面狀態(tài)的熱鍍鋅板在中性鹽霧試驗(yàn)中紅銹面積的增長情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出：

圖2 紅銹面積變化趨勢

(1)1#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行到128小時(shí)紅銹面積達(dá)到5%，其耐鹽霧腐蝕性能最差。

(2)2#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)5%紅銹面積的周期為960小時(shí)，其耐鹽霧腐蝕性能為1#樣板的7.5倍。

(3)3#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)5%紅銹面積的周期為384小時(shí)，其耐鹽霧腐蝕性能為1#樣板的3倍。

(4)4#樣板在中性鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)5%紅銹面積的周期為576小時(shí)，其耐鹽霧腐蝕性能為1#樣板的4.5倍。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.3.1 鋅層形貌對鍍鋅板鹽霧試驗(yàn)的影響

2#、4#試樣均采用三價(jià)鉻鈍化處理，二者區(qū)別為鋅層形貌不同，2#試樣表面鋅層結(jié)構(gòu)無鋅花，4#試樣表面鋅層結(jié)構(gòu)有鋅花。

根據(jù)中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，2#樣板耐腐蝕性能為1#樣板的7.5倍，4#樣板耐腐蝕性能為1#樣板的4.5倍，4#樣板其耐腐蝕性能明顯低于2#試樣。這主要是因?yàn)殄冧\板表面鋅層結(jié)構(gòu)存在鋅花形貌時(shí)，會(huì)使其表面粗糙度明顯高于無鋅花鋅層結(jié)構(gòu)，使得有花鍍鋅板在鹽霧箱內(nèi)與腐蝕介質(zhì)接觸的實(shí)際有效面積變大，同時(shí)鋅層表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成陰極活化點(diǎn)，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，加快了腐蝕速率[7]。

2.3.2 后處理方式對鍍鋅板鹽霧試驗(yàn)的影響

1#試樣(涂油)在中性鹽霧試驗(yàn)中耐腐蝕性能最差。涂油是在鍍鋅板表面覆蓋一層防銹油，避免鍍鋅板表面與空氣接觸，是一種物理隔離保護(hù)措施。在中性鹽霧試驗(yàn)中，鹽霧箱內(nèi)連續(xù)噴出大量的水霧會(huì)將鍍鋅板表面所涂防銹油沖洗掉，并不能起到保護(hù)鋅層的作用，鍍鋅板表面鋅層直接與水霧接觸，鋅層甚至鋼基體很快出現(xiàn)了銹蝕。因此對于選擇涂油處理的鍍鋅鋼卷，在儲(chǔ)運(yùn)過程中應(yīng)特別注意鋼卷的防雨防潮，避免因進(jìn)水導(dǎo)致的鋼卷銹蝕。

2#試樣(鈍化)在中性鹽霧試驗(yàn)中耐腐蝕性能最好，其耐蝕性能為1#樣板的7.5倍。鍍鋅板經(jīng)過鈍化處理后會(huì)在表面形成一層鈍化膜，可以有效的避免水霧對鍍鋅板的侵蝕。研究表明[8-9]三價(jià)鉻鈍化的主要成膜過程兼有電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，鈍化膜的形成過程實(shí)際上是通過擴(kuò)散吸附、微電池反應(yīng)和成膜反應(yīng)，最終在鋅層表面形成一層連續(xù)的、不溶于水的、致密的保護(hù)層，從而抑制電化學(xué)腐蝕中的陽極反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)鋅層不被腐蝕的目的。

與2#試樣(鈍化)相比，3#試樣(鈍化涂油)其耐蝕性能反而降低。根據(jù)相關(guān)研究[6]，鍍鋅板經(jīng)鈍化處理后，如果再進(jìn)行涂油，會(huì)導(dǎo)致防銹油滲入鈍化膜內(nèi)，破壞鈍化膜結(jié)構(gòu)，使鈍化膜變疏松，從而導(dǎo)致耐腐蝕性能變差。

2.3.3 討論

評價(jià)鍍鋅產(chǎn)品耐腐蝕性能的方法很多，中性鹽霧試驗(yàn)是相對快速、方便的一種，對產(chǎn)品使用具有指導(dǎo)作用。

汽車、家電、建筑等行業(yè)在利用中性鹽霧試驗(yàn)對鍍鋅板的耐腐蝕性能進(jìn)行檢測評價(jià)時(shí)，一般要求鈍化板鹽霧試驗(yàn)96小時(shí)白銹面積≤5%，120小時(shí)白銹面積≤20%，且不出現(xiàn)紅銹。

根據(jù)四種表面狀態(tài)的鍍鋅板中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，鍍鋅板表面進(jìn)行鈍化處理后可以有效提高鍍鋅板的耐鹽霧腐蝕能力，防止鹽霧對鍍鋅板的侵蝕，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的防止帶鋼銹蝕的措施，滿足了各行業(yè)對鍍鋅板耐腐蝕性能的要求。

3 結(jié)論

根據(jù)本研究中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果及分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在中性鹽霧氣氛中，四種表面狀態(tài)的鍍鋅板耐腐蝕性能排序：無鋅花三價(jià)鉻鈍化>有鋅花三價(jià)鉻鈍化>無鋅花三價(jià)鉻鈍化涂油>無鋅花涂油。

(2)鋅花形貌會(huì)導(dǎo)致鍍鋅板耐蝕性變差。這是因?yàn)殇\花形貌導(dǎo)致鍍鋅板表面粗糙度變大，在鹽霧箱內(nèi)與腐蝕介質(zhì)接觸的實(shí)際有效面積大，同時(shí)鋅層表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成陰極活化點(diǎn)，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，加快腐蝕速率，這些均導(dǎo)致了有鋅花鍍鋅板耐中性鹽霧腐蝕性能明顯低于無鋅花鍍鋅板。按鍍鋅產(chǎn)品綠色、經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，應(yīng)減少有花鍍鋅產(chǎn)品的使用。

(3)涂油屬于物理隔離防腐措施，該方法防腐性能最差。涂油產(chǎn)品在儲(chǔ)運(yùn)時(shí)應(yīng)特別注意防雨防潮，避免因進(jìn)水導(dǎo)致的鋼卷銹蝕。

(4)鈍化處理可以在鋅層表面形成一層連續(xù)的、不溶于水的、致密的保護(hù)層，從而抑制電化學(xué)腐蝕中的陽極反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)鋅層不被腐蝕的目的，是最經(jīng)濟(jì)、有效的防止帶鋼銹蝕的措施。

(5)鍍鋅板經(jīng)鈍化處理后，如果再進(jìn)行涂油，防銹油會(huì)破壞鈍化膜結(jié)構(gòu)，使鈍化膜變疏松，反而使產(chǎn)品耐腐蝕性能變差。對于需涂油使用的鈍化板，建議在使用過程中涂油。