锌涂层的防护作用对钢铁材料的影响分析

锌涂层被广泛应用是由于锌涂层对钢铁材料具有隔离保护和阴极保护双重保护的性质。

隔离保护是应用最广泛的腐蚀防护方法，它起着隔离金属与环境中的电解质而保护金属的作用。隔离保护层覆盖于钢铁材料表面，形成一道耐蚀物理屏障，将钢铁材料从腐蚀的环境中隔离开。

阴极保护同样是腐蚀防护的重要方法。阴极保护可通过两种方法实现：一是外加电流法；二是牺牲阳极法。外加电流法是将被保护金属接到直流电源的负极，通以阴极电流，使金属极化到保护电位范围内，达到耐腐蚀目的。牺牲阳极法是在被保护的金属上连接电位更低的金属或合金，作为牺牲阳极，靠它不断溶解所产生的电流对被保护的金属进行阴极极化，达到保护的目的。几乎在所有的电解质中，锌都可以成为钢铁材料的阳极。锌的这一特性使锌涂层在受到损坏或少量不连续时依然对钢铁材料起保护作用。

KarelBarton把锌涂层的防护时间分为以下三个阶段：

第一阶段，在使用初期，锌涂层表面形成保护性腐蚀产物层，此时存在长距离电化学保护，在较理想的条件下，这种防护距离可达到1～2mm。但当空气特别潮湿时，锌涂层表面会直接生成可溶性腐蚀产物，此时锌涂层的腐蚀非常快。

第二阶段，延续时间相当长，此时锌涂层的大气腐蚀行为与纯锌相同，其大气腐蚀机理和动力学符合钝化机理及其过程动力学。锌的腐蚀产物与周围环境的互相作用的影响而使锌涂层继续腐蚀，当锌涂层被腐蚀至钢铁材料基体裸露于大气中时，锌涂层的防护进入第三阶段。

第三阶段，锌涂层的大气腐蚀机理类似于第一阶段，再次出现长距离电化学防护，锌作为牺牲阳极对钢铁材料基体进行电化学保护。

有研究者将锌涂层的保护机理分为彼此促进和补充的电化学作用、钝化缓蚀作用和抗水汽渗透作用。并认为，电化学作用往往只在开始时起作用，占主导地位的时间可能不太长，但对建立和维持钝化腐蚀作用逐渐减弱，直至接近消失；而抗水汽渗透作用则相对变强，成为锌涂层使用后期保护性能的主要来源。

图1-4所示为钢铁材料表面覆盖层分别为镀锌层、油漆层和镀铜层时，覆盖层表面出现的裂痕对钢铁材料基体腐蚀过程的影响。

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图1-4 不同覆盖层表面出现裂痕时对钢铁材料基体腐蚀过程的影响

a）镀锌层 b）油漆层 c）镀铜层

从图1-4中可以看出，当镀锌层表面出现裂痕，使钢铁材料基体局部暴露于空气中时，空气中的水分与CO₂、SO₂等形成的电解液会在裂痕处积聚，在钢铁材料基体与镀锌层之间构成铁-锌微腐蚀电池。此时发生的电化学反应为

阳极反应：Zn→Zn²++2e

阴极反应：O₂+2H₂O+4e→4OH^-

在阳极发生了锌的溶解，阴极反应消耗的氧可由空气中氧的不断溶解得到补充，而铁只起到传导电子的作用，受到保护（见图1-4a）。

在油漆层的裂痕处（见图1-4b），钢铁材料表面直接暴露在空气中，易于在裸露点生成铁锈。由于铁锈是疏松状且成分复杂的铁的含水氧化物，会撑破油漆层并向相邻部位扩展和生长，直至油漆保护层被完全破坏。

图1-4c所示是覆盖层为镀铜时的情形。由于铜的电极电位比铁高，当铜镀层出现裂痕形成铁-铜微腐蚀电池时，铁会不断腐蚀，因而起不到防护作用。