Защитное действие цинкового покрытия ярко проявляется в результате механического или химического негативного влияния. В нейтральной среде и при отсутствии нарушений поверхностной целостности защитное действие цинкового покрытия подобно другим антикоррозионным защитам.
Защитное действие цинкового покрытия. Специфика механизма защиты
Защитное действие цинкового покрытия по отношению к матричной основе в результате негативного влияния происходит электрохимическим путем. В гальванической паре железо-цинк стальная основа является катодом, а цинковое покрытие – анодом, поэтому поверхностный слой, разрушаясь, защищает матричную основу. Способ функциональной защиты объясняется значением электрохимического потенциала металла по отношению к железу. Чем выше отрицательные показатели потенциала металла, тем эффективнее защита. При положительном потенциале защитного металла по отношению к матричной основе происходит разрушение поверхностного слоя изделия.
Самозащита цинкового покрытия
Преимуществом цинкового покрытия при негативном воздействии является возможность сохранить защитные функции за счет образования поверхностной пленки из продуктов коррозии. При кислородной деполяризации ионы цинка от анодных участков и ионы гидроокисла (〖ОН〗^-) от катодных участков, диффундируя в растворе, могут продвигаться навстречу друг другу. Ионы цинка, попадая в катодную область с повышенным значением рН (за счет более высокой концентрации ионов (〖ОН〗^-)), образуют нерастворимые соединения 〖Zn(OH)〗_2, которые в конечном итоге выпадают в осадок. При рН ˃ 5,2 происходит реакция:
На металлической поверхности цинка действуют адсорбционные силы, которые в состоянии прочно удерживать образующиеся молекулы 〖Zn(OH)〗_2. В результате получается плотный, хорошо удерживаемый на поверхности металла осадок, обладающий защитными свойствами.
Защитные пленки, затрудняя доступ электролита к металлу и диффузию ионов металла в раствор, сильно изменяют течение коррозионного процесса. Изменение состава продуктов коррозионного разрушения связано и с изменением их защитных свойств.
В атмосферных условиях, при отсутствии загрязнений воздуха, на цинке могут образоваться продукты коррозии, состоящие из окиси цинка ZnO, гидрата окиси цинка 〖Zn(OH)〗_2 и карбоната ZnCO_3. В сухом воздухе на цинке образуется окись цинка ZnO. Удельный объем окиси цинка в 1,44 раза больше удельного объема металла, из которого она образовалась, что способствует формированию очень плотной поверхностной пленки.
Растворимость железа и цинка в отдельности, в контакте друг с другом в воде, в водных растворах солей
| Раствор | Потери, мг/дм² в день | |||
|---|---|---|---|---|
| Отдельно взятые образцы | В контакте друг с другом | |||
| цинк | железо | цинк | железо | |
| 1/20 моля MgSO₄ | + | 13 | 17 | + |
| 1/20 моля Na₂SO₄ | 50 | 50 | 165 | + |
| 1/20 моля NaCl | 50 | 50 | 150 | + |
| 1/200 моля NaCl | 22 | 35 | 43 | + |
| 1-н. раствор H₂CO₃ | 2 | 14,7 | 7,5 | + |
| 1-н. раствор CaCO₃ | + | 4,5 | + | + |
| Жёсткая проточная вода | + | 14 | + | + |
«+» — отсутствие растворения образца
Из таблицы видно, что в углекислых растворах цинк перестает растворяться вследствие образования на нем защитной пленки из углекислого цинка.
Наибольшее защитное действие в условиях атмосферной коррозии будут оказывать пленки, наименее растворимые под воздействием атмосферных осадков.
Растворимость в воде цинковых соединений
| Тип соединения | Растворимость | |
|---|---|---|
| молей на 1 л воды | частей в 100 частях холодной воды | |
| ZnO | 1,92 × 10−5 | 0,00042 |
| Zn(OH)2 | 2,0 × 10−5 | 0,00042 |
| ZnCO3 | 1,98 × 10−3 | 0,001 |
Формулы с подстрочными и надстрочными символами отображаются корректно.
Из таблицы следует, что окись цинка и гидрат окиси обладают малой растворимостью.
Факторы, определяющие скорость коррозии цинкового покрытия
Цинк и цинковые соединения обладают амфотерными характеристиками (в зависимости от внешних условий воздействия у него проявляются как кислые, так и основные свойства), поэтому коррозия цинка зависит от показателя кислотности. В кислых средах, где показатель кислотности ниже 6, коррозия цинка протекает беспрепятственно (отрезок l на графике), такой же процесс разрушения наблюдется в щелочной среде, где рН больше 12,5 (отрезок lll).
Коррозионная стойкость цинка в сухой атмосфере обеспечивается за счет образования на поверхности защитной пленки (оксида цинка). В случае увеличения негативного атмосферного влияния (воздействия влаги, диоксида углерода, примесей) на цинковую поверхность происходят реакции с образованием гидроксида цинка Zn(ОН)2, затем формируется защитное покрытие, состоящее из карбонатных соединений (ZnCO3·3Zn(ОН)2·Н2O). Пленки имеют плотную структуру, труднорастворимы, обладают хорошим сцеплением с цинковой основой. Образование защитных пленок происходит в диапазоне кислотности от 6 до 12,5 (отрезок ll на рисунке).
Скорость коррозии цинка зависит от
• природы внешних факторов воздействия,
• чистоты цинкового образца (наличие примесей),
• технологических параметров изначальной обработки цинка.
Удовлетворительная стойкость коррозионному разрушению цинковых покрытий получается только в растворах, близких к нейтральным. В кислых (рН ˂ 7) и щелочных (рН ˃ 12,5) средах цинковое покрытие быстро разрушается.
Зависимость обратимого электродного потенциала цинка от рН раствора приведена ниже.
На скорость коррозионного разрушения цинка различные химические элементы оказывают специфическое влияние. Ускоряют растворение цинка в 0,5-н. растворе соляной кислоты:
• медь,
• железо,
• сурьма.
Влияние кадмия, мышьяка и олова на коррозионное разрушение поверхности цинка носит более слабый характер. Алюминий вначале воздействия слабо повышает скорость коррозии, затем — замедляет. Свинец, ртуть – препятствуют процессу коррозионного разрушения.
В 0,5-н. растворе серной кислоты:
• медь, железо ускоряют скорость коррозии цинка;
• кадмий и свинец – замедляют.
В 18%-ном растворе серной кислоты наиболее ускоряющее действие оказывает
• железо,
• никель,
• сурьма;
более слабое:
• мышьяк,
• висмут,
• алюминий,
• серебро,
• медь,
замедляющий эффект:
• магний,
• кадмий,
• ртуть,
• свинец.
Наибольшее повышение скорости коррозии происходит при введении в цинк различных примесей (для железа до 0,1%).
Защитное действие цинкового покрытия определяется двумя факторами:
1) возможностью защищать стальную основу от коррозионного разрушения электрохимическим путем (гальваническим),
2) возможностью самозащиты собственной поверхности при негативном воздействии путем образования труднорастворимых цинковых соединений.