不同表面狀態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

(河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

每年因鋼鐵材料腐蝕導致的金屬材料報廢量巨大，這不僅造成了巨大的經濟損失，也不符合鋼鐵材料綠色環保、可持續發展的理念。因此，為了節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，可以起到陰極保護的作用，同時鋅在鋼板表面能阻止鋼和大氣接觸，也具有隔離保護的作用，所以在鋼鐵材料表面鍍鋅作為陽極防護性鍍層，是一種經濟、有效的防止鋼鐵材料腐蝕的方法[1-3]。

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

根據鍍鋅板的用途合理地選擇表面鋅層結構及后處理方式可以有效減少因鋅層及鋼板腐蝕帶來的經濟損失，同時也可以減少過度保護帶來的浪費。因此對不同表面狀態的鍍鋅板耐腐蝕性能進行系統評價研究顯得尤為重要。

各行業一般均選擇中性鹽霧試驗作為快速評價鍍鋅板耐腐蝕性能的手段。本研究通過中性鹽霧試驗，系統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 試驗材料與方法

試驗材料：本研究選擇了市場需求最多的四種表面狀態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結果造成影響。所用鹽霧試驗材料詳細情況如表1所示。

表1 鹽霧試驗樣板情況

試驗方法：試驗設備為鹽霧試驗箱，將四種不同表面狀態的樣板邊緣用膠帶密封后放入鹽霧箱中進行中性鹽霧試驗，測試條件按照GB/T 10125-2012標準(見表2)執行。

表2 中性鹽霧試驗測試條件

2 實驗結果及討論

鋅層的腐蝕主要是因為電化學腐蝕導致，相關電化學反應式如下：

陽極反應：Zn-2e-→Zn2+

陰極反應：O2+H2O+4e-→4OH-

反應產物：Zn+4OH-→Zn(OH)2→ZnO·H2O

鍍鋅板在日常存儲條件下氧化腐蝕十分緩慢，但當其受潮后，容易造成電化學腐蝕，鍍鋅板表面很快就會出現白銹，銹蝕產物主要為堿式氧化鋅。當鍍鋅板表面鋅層腐蝕完后，就會開始腐蝕鋼基體，使基體表面出現紅銹[5-6]。

本研究記錄了鍍鋅板在鹽霧箱內白銹面積達到5%、100%以及紅銹面積達到5%的周期，并以紅銹面積達到5%的時間作為最終評價鍍鋅板耐鹽霧腐蝕性能標準。表3為四種表面狀態的熱鍍鋅板典型銹蝕狀態。

2.1 白銹出現周期

圖1表示4種表面狀態的熱鍍鋅板在中性鹽霧試驗中白銹面積的變化周期。根據實驗結果，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中白銹面積達到5%、100%的時間分別為5小時、24小時。

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

(3)3#樣板在中性鹽霧試驗中56小時白銹面積達到5%，432小時白銹面積達到100%。

(4)4#樣板在中性鹽霧試驗中96小時白銹面積達到5%，672小時白銹面積達到100%。

2.2 紅銹出現周期

圖2表示4種表面狀態的熱鍍鋅板在中性鹽霧試驗中紅銹面積的增長情況。根據實驗結果，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進行到128小時紅銹面積達到5%，其耐鹽霧腐蝕性能最差。

(2)2#樣板在中性鹽霧試驗中出現5%紅銹面積的周期為960小時，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中出現5%紅銹面積的周期為384小時，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中出現5%紅銹面積的周期為576小時，其耐鹽霧腐蝕性能為1#樣板的4.5倍。

2.3 試驗結果討論

2.3.1 鋅層形貌對鍍鋅板鹽霧試驗的影響

2#、4#試樣均采用三價鉻鈍化處理，二者區別為鋅層形貌不同，2#試樣表面鋅層結構無鋅花，4#試樣表面鋅層結構有鋅花。

根據中性鹽霧試驗結果，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。這主要是因為鍍鋅板表面鋅層結構存在鋅花形貌時，會使其表面粗糙度明顯高于無鋅花鋅層結構，使得有花鍍鋅板在鹽霧箱內與腐蝕介質接觸的實際有效面積變大，同時鋅層表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成陰極活化點，促進電化學反應，加快了腐蝕速率[7]。

2.3.2 后處理方式對鍍鋅板鹽霧試驗的影響

1#試樣(涂油)在中性鹽霧試驗中耐腐蝕性能最差。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措施。在中性鹽霧試驗中，鹽霧箱內連續噴出大量的水霧會將鍍鋅板表面所涂防銹油沖洗掉，并不能起到保護鋅層的作用，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了銹蝕。因此對于選擇涂油處理的鍍鋅鋼卷，在儲運過程中應特別注意鋼卷的防雨防潮，避免因進水導致的鋼卷銹蝕。

2#試樣(鈍化)在中性鹽霧試驗中耐腐蝕性能最好，其耐蝕性能為1#樣板的7.5倍。鍍鋅板經過鈍化處理后會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]三價鉻鈍化的主要成膜過程兼有電化學反應和化學反應，鈍化膜的形成過程實際上是通過擴散吸附、微電池反應和成膜反應，最終在鋅層表面形成一層連續的、不溶于水的、致密的保護層，從而抑制電化學腐蝕中的陽極反應，達到保護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。根據相關研究[6]，鍍鋅板經鈍化處理后，如果再進行涂油，會導致防銹油滲入鈍化膜內，破壞鈍化膜結構，使鈍化膜變疏松，從而導致耐腐蝕性能變差。

2.3.3 討論

評價鍍鋅產品耐腐蝕性能的方法很多，中性鹽霧試驗是相對快速、方便的一種，對產品使用具有指導作用。

汽車、家電、建筑等行業在利用中性鹽霧試驗對鍍鋅板的耐腐蝕性能進行檢測評價時，一般要求鈍化板鹽霧試驗96小時白銹面積≤5%，120小時白銹面積≤20%，且不出現紅銹。

根據四種表面狀態的鍍鋅板中性鹽霧試驗結果，鍍鋅板表面進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，是一種經濟、有效的防止帶鋼銹蝕的措施，滿足了各行業對鍍鋅板耐腐蝕性能的要求。

3 結論

根據本研究中性鹽霧試驗結果及分析，可以得出以下結論：

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

(2)鋅花形貌會導致鍍鋅板耐蝕性變差。這是因為鋅花形貌導致鍍鋅板表面粗糙度變大，在鹽霧箱內與腐蝕介質接觸的實際有效面積大，同時鋅層表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成陰極活化點，促進電化學反應，加快腐蝕速率，這些均導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。按鍍鋅產品綠色、經濟發展趨勢，應減少有花鍍鋅產品的使用。

(3)涂油屬于物理隔離防腐措施，該方法防腐性能最差。涂油產品在儲運時應特別注意防雨防潮，避免因進水導致的鋼卷銹蝕。

(4)鈍化處理可以在鋅層表面形成一層連續的、不溶于水的、致密的保護層，從而抑制電化學腐蝕中的陽極反應，達到保護鋅層不被腐蝕的目的，是最經濟、有效的防止帶鋼銹蝕的措施。

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