镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应用

镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应用 镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应 用 第28卷第3期 2007年3月 腐蚀与防护 CORROSION&PROTECTION VoL28No.3 March2007 镀锌钢的电偶作用 —— 基本理论和实际应用 X.GZhang章小鸽,AnqingXing~邢安庆 (1.TeComincoMetalsLtdProductTechnologyCentre,2380Spea1aI1Drivek,Mississauga, Ontario,LSK1B4CANADA; 2.X-Numerica1.2882RaiwaterDriveMississauga,Ontario,LSN6K8CANADA) 摘要:镀锌钢的高耐蚀性主要跟电偶作用有关.当部分锌层受到损坏而暴露出钢铁基体时,在同一平面上构成 双金属偶对.基于相应的理论模型,可以用保护距离和电偶电流两个参数来定量描述电偶保护的程度和锌镀层的 消耗率.作为这一理论的应用实例,讨论了暴露的钢的宽度,锌的表面活性以及环境条件的影响.最后把这些理 论结果跟实验测试数据作了比较,发现相当符合. 关键词:电偶作用;理论模型;电偶腐蚀;合金镀层;保护距离 中图分类号:TG172.2文献标识码:A文章编号:1005-748X(2007)03-0143-04 0引言 锌镀层,不论纯锌或锌合金,对钢的腐蚀保护在 原理上都归之于两个作用:因其高耐蚀性的阻挡层 保护和因其与钢的电偶作用的阴极保护.许多因 素,包括镀层类型,镀层重量和前处理,主要通过影 响阻挡层阻力和电偶保护能力之间的平衡,会影响 到镀锌钢的腐蚀性能[1]. 镀锌钢经受的腐蚀环境有各种形式,例如凝结 水,雨水,融化的雪和溅起的道路水.这些潮湿形式 基本上是厚度和化学组成有很大变化的薄层电解 液.在这些不同形式的潮湿条件下电偶作用的定量 知识(即锌镀层的消耗率和电偶保护的程度)对于理 解腐蚀机理和开发能很好地平衡阻挡层防护跟电偶 防护的镀锌层/油漆系统都是有用的.本文报告部 分镀锌的钢在薄层电解液下的电偶作用的理论 模型. 1理论模型 被相当薄的电解液层覆盖的部分镀锌的表面可 以用图1所示的在同一平面上偶合的金属来表示. 对于图1所示的几何布置,基本的电流与电位 关系如下: —一 (1) E.,一E,一一叩a(z)一叩c(z)+ (z,X)X?0(2) X?0 收稿日期:2006-08—02 水 电位 f极 |一——.1 未偶合的钢 的腐蚀电位 图1薄层电解液下处于同一平面的锌/钢 双金属电偶的示意图 此处J是总的阳极电流,J是总的阴极电流; E.,和E.,分别是阳极和阴极未偶合时的腐蚀电 位;和分别是电偶中阳极和阴极的过电位; 是沿着电解液在阳极表面X与阴极表面X之 间的欧姆电位降. J和J可以用下列公式描述: J一r(Xa)lc[za(3)?0 rL J一li(z)1dz(4)?0 此处z是电极的长度;i(z)和(z)分别是 阳极和阴极电流密度.X和X分别表示对阳极和 阴极的宽度的积分上限.如图1的情况,阳极和阴 极表面上任何两点之间电解液中的总的欧姆电位降 由两部分组成: (z,X)一?(z)+?(z)(5) ? 143? 章小鸽:镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应用 此处?和?分别代表在阳极和阴极沿着 x方向电解液中的欧姆电位降.这些电位降可以 进一步表示为: ffI ?(z)一lli(z)MzdR(x)(6)0 ffz ?(z.)一lli.(z.)Mz.dR(x.)(7)d0d dR(z)和dR(z.)为阳极和阴极的微分电阻. 形成上述方程的详细考虑和方法可以在文献[2]中 找到. 2结果和讨论 当阳极和阴极反应两者都是活化控制时,i (z)和i.(z.)是阳极和阴极过电位的函数,可以用 Butler-Volmer方程表示.假设钢的腐蚀电位是 E.,一一O.55V(SCE),锌的腐蚀电位是E,一一 一 1.05V(SCE),这是水溶液中经常见到的,那么方 程组(1)至(7)就可以数值求解.电流一电位关系的 叙述,边界条件的定义和常数的意义以及数值解法 的叙述在参考文献[6]中均有详述. 许多参数包括在上述理论模型中,可以说明许 多因素的影响,如暴露的钢的大小,电解液的电阻 (电阻率和电解液厚度)以及钢和锌的表面活性 (Butler-Volmer公式中的动力学常数,例如交换电 流密度).通过这些参数的变化,根据锌和钢表面的 电位和电流分布,可以研究在一组特定的材料,环境 和几何条件下部分镀锌的钢的电偶作用.用电位和 电流分布的结果然后可得到关于电偶保护距离,锌 表面上电偶腐蚀的分布以及镀层消耗速率的信息. 尤其是,保护距离(ProtectionDistance,PD)是 可以量化和测量的参数,能用来评估实际情况下电 偶保护的有效性.如图1所示,PD定义为钢靠近 锌的边缘到临界电位线的宽度,当钢低于临界电位 时可以被认为充分受到阴极保护.钢受阴极保护的 临界电位值已在NACE的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中作过定义_4]. 对于镀锌钢,PD基本上可以用电解液中由于 从锌流向钢的电流在侧向的电位降来测量.PD中 的欧姆电位降跟许多因素有关,但可以简单地说 明[引. rPD ?(PD)一l(z)dR(x)一 J0 rm I.,(z)[()]dz(8)J0 这里是电解液中z处的总电流;dR(z)是在dz ? 】44? 的距离内的电阻变化;是电阻率;tl是电解液的截 面积,t是电解液厚度,z是试样的长度.显然,PD 是电解液电阻率,电流和电解液厚度的函数. , 下面是考虑了它们实际的意义后由该模型得到 的某些结果.这些结果也跟实验数据作了比较以证 实理论模型的相关性和精确性. 2.1钢的宽度的影响 图2是由方程(1)至(8)的数值解得到的偶合电 流和保护距离随钢的宽度的变化.参数的设置是模 拟了中等电导率和表面活性的薄层电解液下的环境 - 条件.,它表明保护距离随着暴露的钢的宽度而增 ' 蚶,直至以w表示的临界宽度,这时整个暴露的 钢的表面积都受阴极保护.在宽度超过临界值时, PD就小于暴露的钢的宽度.这意味着对于暴露钢 的宽度大于临界宽度的情况,只有一部分表面受到 电偶保护.还有,随着钢的实际宽度的进一步增加 PD变化很少,也就是说,当暴露的钢表面达封一定 的面积时,PD因钢面积的进一步变化的影响变得 很小了.由模型得到的这些结果符合图3所示的实 验数据j. E E \ 凸 凸一 链 暴露钢的宽度/mm 图3在大气和盐雾试验中实验测得的平面锌/钢 电偶的PD与暴露钢的宽度的关系 图2还表明,由锌和暴露的钢之间的作用所产 章小鸽:镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应用 非常小的电流流过两个偶合金属,就没有什么电偶 作用.这意味着在低电阻的介质中相对大的暴露的 钢面积能够受到保护,而当电阻高时实际上没有保 护.可以期望,由于电偶作用降低,电偶腐蚀速度随 着电阻的增大而减小. 电解液电阻的激烈影响已经在实验中观察到. 图7是在各种环境条件下试验的锌/钢电偶对测得 的PD.在环境1中,由于在潮湿条件下表面上形成 的非常薄的湿气层极高的电阻,PD接近于零.另 一 方面,在全浸于去离子水时(环境8),观察到大的 PD,大于5mm.浸泡条件下大的电偶作用是由于 大量电解液情况下的低电阻,尽管去离子水的电阻 率很高.图6中放了几种典型的环境以说明电偶作 用与这些环境的特征的电解液电阻之间的相关 关系. 3 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 本文在理论上建立了薄层电解液下部分地镀锌 的钢的电偶作用的模型.描述这个模型的方程组的 数值解揭示了关于电偶作用跟平面双金属偶对中主 要材料,环境和几何因素之间关系的有用的定量信 息.特别是,作为实例提供并讨论了有关钢的宽度, 锌表面的表面活性和电解液的电阻对于电偶电流和 保护距离的影响的数值结果.发现这些结果跟实验 得到的结果符合很好.它们成功地解释了在实际情 况下观察到的现象,例如覆镀各种锌铝合金的钢的 电偶作用的差别. g g \ 扫匠 瓢 试验环境 1.100相对湿度+干燥2.去离子水喷雾+100 相对湿度+干燥3.自来水喷雾4.大气暴晒 5.自来水喷雾+100相对湿度+干燥 6.0.001MNa2s04喷雾+100相对湿度+干燥 7.盐水喷雾8.全浸去离子水中 图7用平面锌/钢电偶偶对在不同环境中实验测得的PD 参考文献: [1]HETownsend.Coatedstee1sheetsforcorrosion-re- sistantautomobiles[,Gff/NACE91.Paper,1991:416. [23XGZhang.Corrosionandelectrochemistryfozinc [M].PlenumPublicationCo.,1996. [3]TCSimpson,JDHoffman.Effectsofcoatingweight andpretreatmentonthepaintedcorrosionl~dOnranceof coatedsteelsheet[,G]//SAETechnicalPaperSeries,# 971032.SAEImernational,WarrendalePA:1997. [4]RP0388--90[-S].NACEStandard. [5]XGZhang.Galvanicprotectiondistanceofzinc-coated steelundervariousenvironmentalconditions[,J].COt— rosion,2000,56:139. [6]XGZhang,AQX_ing.Theoreticalmodellingofgal— vanicactionofzinccoatedstee/.inpreparation. (徐乃欣译) . 防腐蚀技术通讯.矿用新型水溶性带锈防锈漆的研制 由兖州矿业(集团)有限责任公司研制的矿用新型水溶性带锈防锈漆,可以直接涂 覆于带有一定锈蚀的钢铁表面,将铁锈 转化为稳定的络化物,形成连续而致密的保护性封闭层,牢固地结合于钢铁的表面, 从而达到防锈的目的.在国外经济发达 的工业国家,防锈漆中的红丹漆(一般作为底漆)因为含有大量有毒重金属铅而早 已不再使用,其它溶剂性防锈漆也因有毒, 易燃及溶剂易挥发造成环境污染而逐渐被淘汰.随着我国国民经济的发展,对防锈 涂料的要求已同国际发展接轨,朝着水性 化,无溶剂化,粉末化的方向发展但是,国内的防锈漆目前仍然以红丹漆和其它溶 剂型防锈漆为主,多为油性树脂带锈涂 料,醇酸树脂带锈涂料,氨基树脂带锈涂料,环氧树脂带锈涂料等,因其毒性大,有刺 激昧,成本高,早已不适应经济发展的要 求,所以急需研究一种无污染,高性能,施工方便,使用成本低,适合煤矿井下防腐要求的新型防腐涂料.矿用新型水溶性带 锈防锈漆是以多元醇树脂共聚乳液为基料,以水做分散介质,加入各种防锈添加剂和助剂,经化学转化,络合等反应而成的. 固体填料和颜料采用三辊研磨机研磨.防锈剂的各种组分在分散机中分散.应用实践表明,矿用新型水溶性带锈防锈漆比 溶剂型油漆的涂刷面积大一倍,配制与涂刷方便,涂装前工序简单,节约工时和费用3O,4O以上,对于施工者无任何的损 害;在特殊条件下使用的时候安全可靠,对环境没有污染. 李剑峰(兖矿集团 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院) ? 146?