第3章　钢铁表面用锌覆盖层防腐蚀技术及产品

3.1　概述

3.1.1　覆盖层的分类

在金属表面上施用覆盖层是防止金属腐蚀最普遍最重要的方法。覆盖层的作用在于使金属制品与外界介质隔离开来，以阻止金属表面层上微电池起作用进而发生腐蚀。覆盖层一般应满足以下基本要求：①结构紧密，完整无孔洞，能阻止介质透过；②与金属基材有很强的黏结力；③表面硬度较高，耐摩擦磨损；④均匀地分布在被保护的基材表面。工业上应用普遍的覆盖层分如下四类：①金属覆盖层；②非金属覆盖层；③用化学和电化学方法形成的覆盖层；④暂时性覆盖层。覆盖层的详细分类见图3-1。

图3-1　覆盖层的详细分类

3.1.2　金属覆盖层

金属覆盖层保护即用一种金属或合金在另一种被保护金属表面形成连续均匀的保护层，以防止该基体金属受到腐蚀。被保护的金属制品称之为基体，前一种金属或合金称为覆盖层。金属覆盖层可分为阳极覆盖层和阴极覆盖层两种。如果覆盖层金属在介质中的电势比基体金属电势更正，则前者为阴极，后者为阳极，故称为阴极覆盖层。这种覆盖层的金属通常耐腐蚀性很强，只有当它足够完整，并且能耐介质腐蚀以及阻止介质渗透到基体金属表面，才能可靠地保护基体金属。钢铁表面常用的阴极覆盖层金属为铅、锡、镍等。如果覆盖层金属在介质中的电势比基体金属电势更负，则前者为阳极，后者为阴极，故称为阳极覆盖层。阳极覆盖层的优点就是即使覆盖层有一些微孔，由于覆盖层金属本身的电化学保护作用，仍然能够使基体金属得到保护。用锌涂镀层来保护钢铁就是典型的阳极覆盖层保护。金属覆盖层保护方法类型包括电镀、热喷镀、渗镀、热浸镀、达克罗等。

3.1.3　锌覆盖层的牺牲阳极保护法电化学机理

牺牲阳极法是阴极保护的重要手段之一，采用牺牲阳极法对金属构件实施阴极保护时，牺牲阳极在电解质环境中与被保护的金属构件连接，通过牺牲阳极金属或合金材料的有限溶解，释放出的电流使金属构件阴极极化到保护电位而实现保护。锌是牺牲阳极法常用的阳极材料，锌的标准电极电位为-0.76V，较铁的-0.44V活泼，且作为锌阳极具有极高的电流效率。利用锌对钢结构进行电化学保护，具有时效长、易于管理和维护的优点。

钢铁腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合。当钢铁表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速率进行。其反应式如下：

在腐蚀过程中，钢结构表面会析出氢氧化亚铁Fe（OH）2，再被溶解氧化成氢氧化铁Fe（OH）3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），造成结构的破坏。

而在钢结构表面覆盖上锌之后，锌粉作为阳极会优先与腐蚀介质反应：

图3-2为锌的牺牲阳极保护法电化学反应示意图。

图3-2　锌的牺牲阳极保护法电化学反应示意图

由于氧分子与电子之间亲和力很强，电子容易在Zn2+/Zn电场作用下穿过双电层，使氧分子还原成OH-。阴极区的氧去极化反应使锌电极界面的pH值升高或OH-富集，当OH-、Zn2+的浓度超过Zn（OH）2的浓度积时，Zn（OH）2便沉积在电极表面形成覆盖膜，并随后进一步与腐蚀介质接触生成ZnO、ZnCO3、ZnCO3·2Zn（OH）2·H2O等粉末，除继续起到电化学保护作用外，同时也对钢铁基体起到化学钝化作用。