CN105277479A - 一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法和耐蚀性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法和耐蚀性评价方法，属于镀锌钢的大气腐蚀技术领域。以镀锌钢为试验材料，模拟海洋大气腐蚀介质的喷雾液组成为：NaCl50g/L，Na₂SO₃5g/L，NaNO₃2g/L，H₂SO₄0.2ml/L，其余为蒸馏水；采用喷雾/干燥循环腐蚀模拟海洋大气腐蚀过程。对镀锌钢镀层的耐蚀性评价时，镀层表面未出现红锈阶段，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性；当镀锌钢出现红锈时，则以红锈出现的时间来判断锌镀层的保护作用。本发明可用来模拟海洋大气腐蚀过程，具有模拟性、加速性和重现性，可用于快速评价镀锌层在海洋大气环境下的耐蚀性，为合理选用镀锌防护以及预测其保护寿命提供依据。

Description

一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法和耐蚀性评价方法

技术领域

本发明涉及镀锌钢的大气腐蚀模拟和评价技术领域，具体涉及一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法和耐蚀性评价方法。

背景技术

金属材料在使用和服役的过程中，由于其与环境发生化学、电化学或物理作用，不可避免的会发生腐蚀，如钢铁的生锈。由于腐蚀的自发性和普遍性，造成了巨大的经济损失。为了提高钢铁的耐蚀性和使用寿命，减小由于腐蚀带来的损失，科研人员研发了多种提高钢铁耐蚀性的方法。其中镀锌防护方法，由于效果显著、工艺相对简单、价格低廉等特点，得到广泛应用。

锌的标准电极电势为-0.736V，比铁的电势负，可以起到牺牲阳极保护钢铁的作用。锌-铁组合成腐蚀电池时，锌发生阳极溶解，将电子提供给铁，使铁避免腐蚀。同时镀锌层对钢铁基体还有隔离保护作用，隔离大气中的腐蚀介质与钢铁基体反应。锌在中性介质中容易钝化，具有良好耐蚀性；在碱性介质中也会形成保护性氧化膜，避免锌受到腐蚀。在大多数自然环境中，锌的腐蚀速度只有钢铁的十分之一到百分之一。镀锌钢的独特之处还在于：当镀层受到破坏而钢铁受到暴露时，锌层与钢铁基体之间会形成电偶作用提供额外的保护。根据镀层成分和生产方法，镀锌可以分为许多种。根据生产方法可以分为热浸、电镀、机械压接、渗锌和热喷涂等。其中热浸和电镀工艺使用最广。

金属材料在大气中的腐蚀是一个复杂的过程。影响大气腐蚀的因素很多，总体而言包括材料自身的因素，如材料的种类、表面状态、制备工艺等；还有环境因素，主要包括温度、相对湿度、表面润湿时间、污染物等。这些因素的组合影响导致不同地区材料腐蚀速度差异很大。根据地域或者污染物类别的不同，可以把大气分为乡村大气、城市大气、工业大气、海洋大气、海洋工业大气等。考虑海洋大气环境的典型性和代表性以及腐蚀相对严重，特别是当沿海地区存在工业企业时，就会导致该区域局部大气中的微量元素发生变化，大气中除含有大量的海盐粒子，还会含有一定量的工业污染物(如SO₂等)。因此，进行金属材料在海洋大气环境下的腐蚀研究，是现实的需要。

大气环境暴露试验是研究材料大气腐蚀与评价材料耐大气腐蚀性的最基本、最直接、最常用的方法。其操作简单，试样形状尺寸不受限制；试验的环境和条件与实际使用环境相同，可真实反映材料在某一环境下的腐蚀状况，实验结果真实可靠；可以用来评估实际环境下金属的使用寿命，为材料选材、产品设计和防护提供科学依据。大环境暴露试验也存在一些不足，如：(1)实验的周期太长，不能满足及时需求；(2)由于大气环境千变万化，试验结果的平行性很差，难以进行更深入的腐蚀机制研究；(3)大气环境中的腐蚀因素多且不可控，难于评估每个腐蚀因素所起的作用等。为快速评定材料的耐蚀性和预测其使用寿命，科研工作者已广泛开展了各种实验室模拟加速试验研究。

我国镀锌板带生产需求一直旺盛，产能也极快扩大。不同生产厂由于生产工艺的差别，同一牌号镀锌板耐蚀性相差很大；甚至同一生产厂不同批次的镀锌板耐蚀性也存在差别。多数钢铁企业遇到了镀锌板的耐蚀性如何评价，及其防锈包装等问题。目前关于镀锌板的耐蚀性评价还没有规范的、标准的方法，其表面耐蚀性的差异要求其在储运过程中的防锈包装应有所不同。因此，开展镀锌板耐蚀性评价研究并建立规范的评价的方法，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法和耐蚀性评价方法。

本发明的技术方案如下：

一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法，该方法以镀锌钢为试验材料，采用喷雾/干燥循环腐蚀的方式模拟海洋大气腐蚀过程；一个循环周期为12h，其中喷雾8h，干燥4h，循环周期的数量根据试验需要确定，即镀锌钢镀层上出现红锈前结束试验或者出现红锈后结束试验。

喷雾和干燥的温度为35℃，喷雾过程的相对湿度为100％，干燥过程的相对湿度为20％以下。

喷雾过程所用模拟海洋大气腐蚀介质的喷雾液组成为：NaCl50g/L，Na₂SO₃5g/L，NaNO₃2g/L，H₂SO₄0.2ml/L，其余为蒸馏水。

一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的耐蚀性评价方法，该方法评价原则为：镀层表面未出现红锈阶段，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性，腐蚀速率越大，耐蚀性越差；当镀锌钢出现红锈时，则以红锈出现的时间来判断锌镀层的保护作用，红锈出现时间越早，红锈面积越大，镀锌钢的镀层保护作用越差。当镀锌钢在同一时间出现红锈时，以红锈面积大小来判断锌镀层的保护作用。

以镀锌层的腐蚀速率判断镀层耐蚀性时，所述腐蚀速率获得过程如下：

首先计算镀锌钢样不同时间的腐蚀失重(至少三组数据)，然后对腐蚀失重ΔW与腐蚀时间t按ΔW＝A+Bt公式进行线性拟合，ΔW为腐蚀失重(g/m²)，t为腐蚀时间(hour)，A、B为与试验材料和试验环境有关的常数，由拟合结果获得。以腐蚀时间为横坐标，腐蚀失重为纵坐标绘制图形，拟合直线的斜率即为腐蚀速率。

本发明的优点及有益效果是：

本发明可用来模拟海洋大气腐蚀过程，具有模拟性、加速性和重现性，可用于快速评价镀锌层在海洋大气环境下的耐蚀性，为合理选用镀锌防护以及预测其保护寿命提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例1中E、I和J组中镀锌钢的腐蚀失重与腐蚀时间的关系曲线；其中：(a)E组；(b)I组；(c)J组。

图2为乙钢厂不同镀锌钢腐蚀后的宏观形貌照片，从左到右腐蚀时间依次为：48h、96h、144h、192h、216h。

图3为甲钢厂不同镀锌钢腐蚀后的宏观形貌照片，从左到右腐蚀时间依次为：48h、96h、144h。

具体实施方式

本发明首先对海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀进行模拟，然后建立了一种快速评价镀锌钢镀层在海洋大气环境下耐蚀性的试验方法。可针对不同生产厂的镀锌板、或同一生产厂的不同批次的镀锌板或不同表面处理的镀锌板等，快速评价镀锌层在海洋大气环境下耐蚀性和保护寿命。根据海洋大气环境特点，复合腐蚀溶液以NaCl为主，同时加少量Na₂SO₃、NaNO₃和H₂SO₄，通过喷雾/干燥循环模拟海洋大气腐蚀过程，其中：一个循环周期为12h，其中喷雾8h，干燥4h；喷雾和干燥的温度为35℃，喷雾过程的相对湿度为100％，干燥过程的相对湿度为20％以下；喷雾过程所用模拟海洋大气腐蚀介质的喷雾液组成为：NaCl50g/L，Na₂SO₃5g/L，NaNO₃2g/L，H₂SO₄0.2ml/L，其余为蒸馏水。

对试样腐蚀结果，利用腐蚀速率分析和宏观形貌分析，快速评价镀锌层的耐蚀性和保护作用。评价的原则为：未出现红锈阶段，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性，腐蚀速率越大，耐蚀性越差；当镀锌钢出现红锈时，则以出现的时间来判断锌镀层的保护作用，同一时间出现红锈以红锈面积大小来判断。红锈出现时间越早，红锈面积越大，镀锌钢的镀层保护作用越差。

以甲钢厂和乙钢厂提供的各类镀锌钢为例。具体种类和编号见表1。根据不同需要，将材料切割成不同尺寸。其中腐蚀失重分析的试样尺寸为50mm×50mm；表面形貌分析的试样尺寸为20mm×20mm。所有试样都经过丙酮除油，酒精冲洗，吹干置于干燥器中待用。用于失重分析的试样在干燥器中放置24小时后，用分析天平称重，精确到0.1mg。

表1实验材料

对镀锌层腐蚀产物的去除，采用100gNH₄Cl+1000ml蒸馏水所配的溶液作为除锈液。除锈在80℃水浴中进行，除锈时间为8-10分钟。每次除锈后都用蒸馏水冲洗样品，并用酒精擦拭，吹干，将试样放入干燥器中，24小时后在进行称重。每个周期取三个平行试样测定腐蚀失重值，最后采用三个失重数据的平均值作为测量数据。

实施例1

针对E、I、J三组试样进行试验，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性。按设定的试验周期取样，进行除锈处理分析，计算腐蚀失重，在出现红锈前结束试验。锌大气腐蚀失重ΔW与腐蚀时间t符合线性规律ΔW＝At+B，常数项A和B依赖于试验环境和试验材料。图1给出E、I、J组试样在模拟海洋大气环境中腐蚀失重与腐蚀时间的拟合直线和试验数据点。这三种镀锌钢的线性拟合相关系数(R²)都达到0.99以上，说明拟合相关性很好。具体的拟合参数如下：

E:ΔW＝0.496t-10.405，R²＝0.996；

I:ΔW＝0.444t+1.011，R²＝0.999；

J：ΔW＝0.462t_-2.373，R²＝0.993。

拟合直线的斜率(即腐蚀速率)可以反映锌层的耐蚀性，斜率越大耐蚀性越差。据此，这三组试样的镀锌层耐蚀性由强到弱依次是：I＞J＞E。

实施例2

针对乙钢厂提供的G、H、I、J、K五组试样进行试验，以镀锌钢出现红锈的时间和红锈面积来判断镀层的耐蚀性。五组试样腐蚀不同时间(48h、96h、144h、192h、216h)的宏观照片如图2所示。从图2可知，不同镀锌钢出现红锈的腐蚀时间不同。G组试样在腐蚀96h时出现了少量的红锈；H组试样在腐蚀144h时出现了少量的红锈；J组、K组在腐蚀192h时出现红锈，其中J组的红锈比K组的面积大；最后出现红锈的是I组试样，在腐蚀到216h时才出现红锈。根据镀锌钢出现红锈的时间来判断镀层的保护作用，同一时间出现红锈以红锈面积大小来判断。这五组镀锌钢的镀层在模拟海洋环境下的保护作用由强到弱依次为：I＞K＞J＞H＞G。

实施例3

针对甲钢厂提供的A、B、C、D、E、F六组试样进行试验，以镀锌钢出现红锈的时间和红锈面积来判断镀层的耐蚀性。六组试样腐蚀不同时间(48h、96h、144h)的宏观照片如图3所示。从图3可知，不同镀锌钢出现红锈的腐蚀时间或红锈面积不同。C组、F组试样在腐蚀48h时出现了少量的红锈，其中F组的红锈比C组面积大；A、B、D组试样则在腐蚀96h时出现红锈，其中B组红锈最多，D组次之；E组在腐蚀144h时出现红锈。根据镀锌钢出现红锈的时间和红锈面积来判断镀层的耐蚀性，这六组镀锌钢的镀层在模拟海洋环境下的保护作用由强到弱依次为：E＞A＞D＞B＞C＞F。

总之，本发明方法抓住了大气腐蚀过程的关键特征－“干/湿”循环交替，以及海洋大气腐蚀介质的主要因子，以NaCl为主，同时加少量Na₂SO₃、NaNO₃和H₂SO₄。本发明可针对不同生产厂的镀锌板、或同一生产厂的不同批次的镀锌板或不同表面处理的镀锌板等，进行模拟海洋大气环境下的腐蚀过程，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性，或以镀锌钢出现红锈的时间和红锈面积来判断镀层的耐蚀性，快速评价镀锌层在海洋大气环境下耐蚀性和保护寿命。为合理选用镀锌防护以及预测其保护寿命提供依据。

Claims (7)

1.一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法，其特征在于：该方法以镀锌钢为试验材料，采用喷雾/干燥循环腐蚀的方式模拟海洋大气腐蚀过程；喷雾过程所用模拟海洋大气腐蚀介质的喷雾液组成为：NaCl50g/L，Na₂SO₃5g/L，NaNO₃2g/L，H₂SO₄0.2ml/L，其余为蒸馏水。

2.根据权利要求1所述的海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法，其特征在于：所述喷雾/干燥循环腐蚀时，一个循环周期为12h，其中喷雾8h，干燥4h，喷雾和干燥过程的温度为35℃。

3.根据权利要求2所述的海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法，其特征在于：所述循环周期的数量根据试验需要确定，即镀锌钢镀层上出现红锈前结束试验或者出现红锈后结束试验。

4.根据权利要求1所述的海洋大气环境下镀锌钢镀层的腐蚀模拟方法，其特征在于：所述喷雾过程的相对湿度为100％，所述干燥过程的相对湿度为20％以下。

5.一种海洋大气环境下镀锌钢镀层的耐蚀性评价方法，其特征在于：该方法评价原则为：镀层表面未出现红锈阶段，以镀锌层的腐蚀速率判断镀层的耐蚀性，腐蚀速率越大，耐蚀性越差；当镀锌钢出现红锈时，则以红锈出现的时间来判断锌镀层的保护作用，红锈出现时间越早，红锈面积越大，镀锌钢的镀层保护作用越差。

6.根据权利要求5所述的海洋大气环境下镀锌钢镀层的耐蚀性评价方法，其特征在于：当镀锌钢出现红锈时，同一时间出现红锈时以红锈面积大小来判断锌镀层的保护作用。

7.根据权利要求5所述海洋大气环境下镀锌钢镀层的耐蚀性评价方法，其特征在于：以镀锌层的腐蚀速率判断镀层耐蚀性时，所述腐蚀速率获得过程如下：

首先计算镀锌钢样不同时间的腐蚀失重(至少三组数据)，然后对腐蚀失重ΔW与腐蚀时间t按ΔW＝A+Bt公式进行线性拟合，ΔW为腐蚀失重(g/m²)，t为腐蚀时间(hour)，A、B为与试验材料和试验环境有关的常数，由拟合结果获得；以腐蚀时间为横坐标，腐蚀失重为纵坐标绘制图形，拟合直线的斜率即为腐蚀速率。