不同表面状态热镀锌板耐腐蚀性能研究

王昭云，杨建宽，姜丽梅，姜景荣，张 姝

(河钢集团邯钢公司，河北 邯郸 056015)

每年因钢铁材料腐蚀导致的金属材料报废量巨大，这不仅造成了巨大的经济损失，也不符合钢铁材料绿色环保、可持续发展的理念。因此，为了节约钢材并保证钢铁材料的正常使用，必须解决钢材腐蚀的问题。在钢铁材料表面镀锌是一种应用广泛的防腐措施，由于锌的电极电位比铁的电极电位低，可以起到阴极保护的作用，同时锌在钢板表面能阻止钢和大气接触，也具有隔离保护的作用，所以在钢铁材料表面镀锌作为阳极防护性镀层，是一种经济、有效的防止钢铁材料腐蚀的方法[1-3]。

热镀锌产品因其良好的耐蚀性、焊接性和成形性，广泛应用于汽车、家电、建筑等领域。在大气环境中锌表面会形成一层致密的氧化物薄膜，它不仅可以保护锌层本身，也可以保护钢材基体。对镀锌钢板表面进行涂油、钝化等方式处理后，可以改善镀锌层的表面光泽和结构，提高镀锌层的耐蚀性，延长钢板的使用寿命[4]。

根据镀锌板的用途合理地选择表面锌层结构及后处理方式可以有效减少因锌层及钢板腐蚀带来的经济损失，同时也可以减少过度保护带来的浪费。因此对不同表面状态的镀锌板耐腐蚀性能进行系统评价研究显得尤为重要。

各行业一般均选择中性盐雾试验作为快速评价镀锌板耐腐蚀性能的手段。本研究通过中性盐雾试验，系统探究了锌层形貌及后处理方式对镀锌板耐腐蚀性能的影响。

1 试验材料与方法

试验材料：本研究选择了市场需求最多的四种表面状态的热镀锌板探究其耐腐蚀性能，选取了相同厚度及锌层重量的样板作为检测样板，避免因试样厚度及锌层重量不同对盐雾试验结果造成影响。所用盐雾试验材料详细情况如表1所示。

表1 盐雾试验样板情况

试验方法：试验设备为盐雾试验箱，将四种不同表面状态的样板边缘用胶带密封后放入盐雾箱中进行中性盐雾试验，测试条件按照GB/T 10125-2012标准(见表2)执行。

表2 中性盐雾试验测试条件

2 实验结果及讨论

锌层的腐蚀主要是因为电化学腐蚀导致，相关电化学反应式如下：

阳极反应：Zn-2e-→Zn2+

阴极反应：O2+H2O+4e-→4OH-

反应产物：Zn+4OH-→Zn(OH)2→ZnO·H2O

镀锌板在日常存储条件下氧化腐蚀十分缓慢，但当其受潮后，容易造成电化学腐蚀，镀锌板表面很快就会出现白锈，锈蚀产物主要为碱式氧化锌。当镀锌板表面锌层腐蚀完后，就会开始腐蚀钢基体，使基体表面出现红锈[5-6]。

本研究记录了镀锌板在盐雾箱内白锈面积达到5%、100%以及红锈面积达到5%的周期，并以红锈面积达到5%的时间作为最终评价镀锌板耐盐雾腐蚀性能标准。表3为四种表面状态的热镀锌板典型锈蚀状态。

2.1 白锈出现周期

图1表示4种表面状态的热镀锌板在中性盐雾试验中白锈面积的变化周期。根据实验结果，可以得出：

图1 白锈面积变化趋势

(1)1#样板在中性盐雾试验中白锈面积达到5%、100%的时间分别为5小时、24小时。

(2)2#样板在中性盐雾试验中白锈面积达到5%、100%的周期最长，分别为432小时、1 008小时。

(3)3#样板在中性盐雾试验中56小时白锈面积达到5%，432小时白锈面积达到100%。

(4)4#样板在中性盐雾试验中96小时白锈面积达到5%，672小时白锈面积达到100%。

2.2 红锈出现周期

图2表示4种表面状态的热镀锌板在中性盐雾试验中红锈面积的增长情况。根据实验结果，可以看出：

图2 红锈面积变化趋势

(1)1#样板在中性盐雾试验进行到128小时红锈面积达到5%，其耐盐雾腐蚀性能最差。

(2)2#样板在中性盐雾试验中出现5%红锈面积的周期为960小时，其耐盐雾腐蚀性能为1#样板的7.5倍。

(3)3#样板在中性盐雾试验中出现5%红锈面积的周期为384小时，其耐盐雾腐蚀性能为1#样板的3倍。

(4)4#样板在中性盐雾试验中出现5%红锈面积的周期为576小时，其耐盐雾腐蚀性能为1#样板的4.5倍。

2.3 试验结果讨论

2.3.1 锌层形貌对镀锌板盐雾试验的影响

2#、4#试样均采用三价铬钝化处理，二者区别为锌层形貌不同，2#试样表面锌层结构无锌花，4#试样表面锌层结构有锌花。

根据中性盐雾试验结果，2#样板耐腐蚀性能为1#样板的7.5倍，4#样板耐腐蚀性能为1#样板的4.5倍，4#样板其耐腐蚀性能明显低于2#试样。这主要是因为镀锌板表面锌层结构存在锌花形貌时，会使其表面粗糙度明显高于无锌花锌层结构，使得有花镀锌板在盐雾箱内与腐蚀介质接触的实际有效面积变大，同时锌层表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成阴极活化点，促进电化学反应，加快了腐蚀速率[7]。

2.3.2 后处理方式对镀锌板盐雾试验的影响

1#试样(涂油)在中性盐雾试验中耐腐蚀性能最差。涂油是在镀锌板表面覆盖一层防锈油，避免镀锌板表面与空气接触，是一种物理隔离保护措施。在中性盐雾试验中，盐雾箱内连续喷出大量的水雾会将镀锌板表面所涂防锈油冲洗掉，并不能起到保护锌层的作用，镀锌板表面锌层直接与水雾接触，锌层甚至钢基体很快出现了锈蚀。因此对于选择涂油处理的镀锌钢卷，在储运过程中应特别注意钢卷的防雨防潮，避免因进水导致的钢卷锈蚀。

2#试样(钝化)在中性盐雾试验中耐腐蚀性能最好，其耐蚀性能为1#样板的7.5倍。镀锌板经过钝化处理后会在表面形成一层钝化膜，可以有效的避免水雾对镀锌板的侵蚀。研究表明[8-9]三价铬钝化的主要成膜过程兼有电化学反应和化学反应，钝化膜的形成过程实际上是通过扩散吸附、微电池反应和成膜反应，最终在锌层表面形成一层连续的、不溶于水的、致密的保护层，从而抑制电化学腐蚀中的阳极反应，达到保护锌层不被腐蚀的目的。

与2#试样(钝化)相比，3#试样(钝化涂油)其耐蚀性能反而降低。根据相关研究[6]，镀锌板经钝化处理后，如果再进行涂油，会导致防锈油渗入钝化膜内，破坏钝化膜结构，使钝化膜变疏松，从而导致耐腐蚀性能变差。

2.3.3 讨论

评价镀锌产品耐腐蚀性能的方法很多，中性盐雾试验是相对快速、方便的一种，对产品使用具有指导作用。

汽车、家电、建筑等行业在利用中性盐雾试验对镀锌板的耐腐蚀性能进行检测评价时，一般要求钝化板盐雾试验96小时白锈面积≤5%，120小时白锈面积≤20%，且不出现红锈。

根据四种表面状态的镀锌板中性盐雾试验结果，镀锌板表面进行钝化处理后可以有效提高镀锌板的耐盐雾腐蚀能力，防止盐雾对镀锌板的侵蚀，是一种经济、有效的防止带钢锈蚀的措施，满足了各行业对镀锌板耐腐蚀性能的要求。

3 结论

根据本研究中性盐雾试验结果及分析，可以得出以下结论：

(1)在中性盐雾气氛中，四种表面状态的镀锌板耐腐蚀性能排序：无锌花三价铬钝化>有锌花三价铬钝化>无锌花三价铬钝化涂油>无锌花涂油。

(2)锌花形貌会导致镀锌板耐蚀性变差。这是因为锌花形貌导致镀锌板表面粗糙度变大，在盐雾箱内与腐蚀介质接触的实际有效面积大，同时锌层表面的Sb、Al等元素偏析形成第二相粒子，并且形成阴极活化点，促进电化学反应，加快腐蚀速率，这些均导致了有锌花镀锌板耐中性盐雾腐蚀性能明显低于无锌花镀锌板。按镀锌产品绿色、经济发展趋势，应减少有花镀锌产品的使用。

(3)涂油属于物理隔离防腐措施，该方法防腐性能最差。涂油产品在储运时应特别注意防雨防潮，避免因进水导致的钢卷锈蚀。

(4)钝化处理可以在锌层表面形成一层连续的、不溶于水的、致密的保护层，从而抑制电化学腐蚀中的阳极反应，达到保护锌层不被腐蚀的目的，是最经济、有效的防止带钢锈蚀的措施。

(5)镀锌板经钝化处理后，如果再进行涂油，防锈油会破坏钝化膜结构，使钝化膜变疏松，反而使产品耐腐蚀性能变差。对于需涂油使用的钝化板，建议在使用过程中涂油。