Ржавеет ли оцинкованная сталь?

1. Введение

Оцинкованная сталь уже почти два столетия является популярным выбором для различных применений, от строительства и сельского хозяйства до автомобильной и обрабатывающей промышленности. Его широкое использование можно объяснить его замечательными свойствами коррозионной стойкости, которые являются результатом защитного цинкового покрытия, нанесенного на стальную поверхность. Это покрытие действует как барьер против элементов, предотвращая ржавчину и разрушение стали. Оцинкованная сталь славится своей прочностью, долговечностью и экономичностью по сравнению с другими устойчивыми к коррозии материалами, такими как нержавеющая сталь или алюминий.

Несмотря на свою известную коррозионную стойкость, часто возникает вопрос, может ли оцинкованная сталь ржаветь. Хотя цинковое покрытие обеспечивает превосходную защиту от коррозии, оно не полностью защищено от ржавчины при определенных условиях. Ответ на этот вопрос не является простым «да» или «нет», поскольку при определении вероятности и степени образования ржавчины на оцинкованной стали играют роль несколько факторов.

Цель этой статьи — изучить механизм ржавления оцинкованной стали и различные факторы, влияющие на ее коррозионную стойкость. Углубляясь в науку, лежащую в основе гальванизации, изучая условия окружающей среды, влияющие на ее производительность, и обсуждая стратегии технического обслуживания и профилактики, мы стремимся обеспечить всестороннее понимание того, как оцинкованная сталь взаимодействует с ржавчиной и коррозией. Эти знания помогут читателям принимать обоснованные решения при выборе материалов для своих проектов и обеспечивать долговечность и целостность конструкций или изделий из оцинкованной стали.

2. Обзор оцинкованной стали

Оцинкованную сталь производят двумя основными методами: горячее цинкование и гальваническое покрытие. Горячее цинкование предполагает погружение стали в ванну с расплавленным цинком при температуре около 450°C (842°F). Сталь сначала очищают и травят для удаления любых оксидов и примесей, обеспечивая прочную связь между цинком и сталью. Когда сталь извлекается из ванны расплавленного цинка, между цинком и поверхностью стали образуется металлургическая связь, образующая ряд отдельных слоев сплава цинка и железа, увенчанных слоем чистого цинка.

Гальваника, с другой стороны, предполагает нанесение более тонкого слоя цинка на поверхность стали посредством электролитического процесса. Сталь помещают в раствор электролита, содержащий ионы цинка, и через раствор пропускают электрический ток, в результате чего ионы цинка прилипают к поверхности стали. Хотя гальваническое покрытие дает более тонкое цинковое покрытие по сравнению с горячим цинкованием, оно может подойти для применений, требующих более точной и равномерной толщины покрытия.

Химическая связь между цинковым покрытием и стальной основой является решающим фактором коррозионной стойкости оцинкованной стали. Во время процесса горячего цинкования расплавленный цинк вступает в реакцию с железом в стали, образуя ряд слоев сплава цинка и железа. Эти слои сплава тверже и более устойчивы к истиранию, чем чистый цинк, обеспечивая дополнительную защиту основной стали. Связь между цинковым покрытием и сталью прочная и долговечная, благодаря чему покрытие остается прочным, даже если поверхность поцарапана или повреждена.

Цинковое покрытие оцинкованной стали действует как барьер, защищая сталь, находящуюся под ней, от воздействия непогоды. При воздействии атмосферы цинк вступает в реакцию с кислородом и влагой, образуя тонкий защитный слой из оксида и гидроксида цинка. Этот слой далее реагирует с углекислым газом в воздухе, образуя стабильный, компактный и липкий слой карбоната цинка. Этот слой патины нерастворим в воде и служит дополнительным барьером, замедляющим процесс коррозии. Барьерная защита, обеспечиваемая цинковым покрытием, является основной причиной превосходной коррозионной стойкости оцинкованной стали, поскольку она предотвращает прямой контакт стали с коррозионными элементами, такими как влага, кислород и другие загрязнители окружающей среды.

3. Механизм коррозионной стойкости оцинкованной стали.

Коррозионная стойкость оцинкованной стали в первую очередь объясняется защитным действием цинкового покрытия. Под воздействием атмосферы цинк подвергается окислению и пассивации, образуя тонкую защитную пленку на поверхности оцинкованной стали. Эта пленка состоит из оксида цинка (ZnO), который образуется при реакции цинка с кислородом в присутствии влаги. Слой оксида цинка изначально весьма реактивен, но быстро превращается в более стабильный и защитный слой посредством процесса, называемого пассивацией.

Поскольку слой оксида цинка подвергается воздействию влаги, он далее реагирует с водой с образованием гидроксида цинка (Zn(OH)2). Этот слой гидроксида цинка затем реагирует с углекислым газом (CO2) в атмосфере, превращаясь в компактный и липкий слой карбоната цинка (ZnCO3). Образование карбоната цинка является решающим этапом в механизме коррозионной стойкости оцинкованной стали, поскольку он создает нерастворимый в воде барьер и предотвращает дальнейшую коррозию.

Нерастворимость карбоната цинка в воде является ключевым фактором долгосрочной коррозионной стойкости оцинкованной стали. В отличие от оксида железа (ржавчины), который является пористым и позволяет влаге и кислороду проникать в нижележащую сталь, слой карбоната цинка плотный и стабильный. Этот слой эффективно герметизирует поверхность оцинкованной стали, предотвращая проникновение коррозийных элементов и существенно замедляя процесс коррозии.

Помимо барьерной защиты, обеспечиваемой слоем карбоната цинка, оцинкованная сталь также выигрывает от протекторной анодной защиты цинка. Цинк более электрохимически активен, чем сталь, а это означает, что он будет преимущественно корродировать, когда оба металла подвергаются воздействию электролита, например, воды, содержащей растворенные соли или ионы. В случае, если цинковое покрытие будет повреждено или поцарапано, обнажив лежащую под ним сталь, цинк, окружающий поврежденный участок, подвергнется жертвенной коррозии, защищая сталь от коррозии. Эта жертвенная коррозия цинка гарантирует, что сталь остается защищенной, даже если покрытие повреждено, продлевая срок службы оцинкованной стальной конструкции или изделия.

Сочетание барьерной защиты, обеспечиваемой слоем карбоната цинка, и защитной анодной защиты цинка делает оцинкованную сталь отличным выбором для применений, требующих долгосрочной устойчивости к коррозии. Однако важно отметить, что на эффективность этих механизмов коррозионной стойкости могут влиять различные факторы окружающей среды, которые будут обсуждаться в следующем разделе.

4. Факторы, влияющие на коррозию оцинкованной стали.

Хотя оцинкованная сталь известна своей превосходной коррозионной стойкостью, на скорость и степень коррозии могут влиять некоторые факторы окружающей среды. Понимание этих факторов имеет решающее значение для выбора подходящего типа оцинкованной стали и определения необходимых мер по техническому обслуживанию. В следующей таблице приведены ключевые факторы, влияющие на коррозию оцинкованной стали:

Фактор	Влияние на коррозию
Влажность (>60%)	Высокий уровень влажности может ускорить процесс коррозии, обеспечивая постоянный источник влаги, необходимой для электрохимических реакций, связанных с коррозией.
Соленая среда (морской климат)	Прибрежные районы с повышенным содержанием солей в воздухе могут привести к ускоренной коррозии оцинкованной стали, так как ионы хлорида могут проникнуть и повредить защитное цинковое покрытие.
Частое смачивание или погружение	Постоянное воздействие воды или частые циклы смачивания и сушки могут привести к более быстрому разрушению цинкового покрытия, снижая коррозионную стойкость оцинкованной стали.
Промышленное загрязнение (диоксид серы)	Диоксид серы (SO2) в промышленных условиях может вступать в реакцию с влагой с образованием серной кислоты, которая может разрушать цинковое покрытие и способствовать коррозии.
Сероводород (из вулканов, горячих источников, природного газа, канализационного газа)	Сероводород (H2S) может вступать в реакцию с цинковым покрытием с образованием сульфида цинка, который менее защитен, чем слой карбоната цинка, что приводит к усилению коррозии.
Сильные щелочи (штукатурка, цемент)	Воздействие сильных щелочей, таких как влажная штукатурка или цемент, может привести к разрушению цинкового покрытия, в результате чего сталь, находящаяся под ним, станет уязвимой для коррозии.
Кислые дождевые стоки с крыш из деревянной черепицы	Кислые дождевые стоки с крыш из деревянной черепицы могут снизить pH воды, контактирующей с оцинкованной сталью, ускоряя процесс коррозии.
Микросреда, созданная мхом и лишайником	Рост мха и лишайника на оцинкованных стальных поверхностях может создавать локальную среду с высокой влажностью, удерживая влагу на поверхности и способствуя коррозии.

Важно отметить, что степень тяжести коррозии, вызванной этими факторами, может варьироваться в зависимости от конкретной среды и качества оцинкованного покрытия. Более толстые цинковые покрытия, например, полученные методом горячего цинкования, обычно обеспечивают лучшую защиту от коррозии в суровых условиях по сравнению с более тонкими покрытиями, полученными гальванопокрытием.

В средах с повышенной влажностью, соленостью или промышленным загрязнением может возникнуть необходимость применения дополнительных мер защиты, таких как нанесение дополнительного покрытия или герметика на оцинкованную поверхность. Регулярный осмотр и техническое обслуживание, включая очистку и ремонт любых поврежденных участков, также могут помочь продлить срок службы оцинкованной стали в агрессивных средах.

Понимая факторы, влияющие на коррозию оцинкованной стали, проектировщики, инженеры и специалисты по техническому обслуживанию могут принимать обоснованные решения о выборе материала, характеристиках покрытия и стратегиях технического обслуживания, чтобы обеспечить долговечность и производительность конструкций и изделий из оцинкованной стали.

5. Прогнозирование срока службы оцинкованной стали, устойчивой к коррозии.

Прогнозирование срока службы оцинкованной стали в различных средах имеет важное значение для планирования и принятия решений в строительных и производственных проектах. Ожидаемый срок службы горячеоцинкованной стали может значительно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды, которым она подвергается. По данным Американской ассоциации гальванизаторов, горячеоцинкованная сталь может прослужить от 34 до 211 лет, в зависимости от конкретной среды:

- В высококоррозионной промышленной среде горячеоцинкованная сталь может прослужить до 34 лет.

- В тропической морской среде с высокой влажностью и содержанием соли ожидаемый срок службы составляет около 34 лет.

- В морской среде с умеренным климатом, с более низкой влажностью и содержанием соли, горячеоцинкованная сталь может прослужить до 73 лет.

- В загородных условиях с умеренным уровнем загрязнения ожидаемый срок службы составляет около 73 лет.

- В сельской местности с минимальным загрязнением горячеоцинкованная сталь может прослужить до 211 лет.

Коррозионная активность окружающей среды играет значительную роль в определении срока службы оцинкованной стали. Промышленная среда, как правило, является наиболее агрессивной из-за высокого уровня диоксида серы и других загрязняющих веществ, за ней следует тропическая морская среда с высокой влажностью и содержанием соли. Морская среда умеренного климата менее агрессивна, чем тропическая среда, тогда как пригородная и сельская среда обычно имеет более низкий уровень коррозионной активности.

Толщина цинкового покрытия является еще одним важным фактором, определяющим срок службы оцинкованной стали, устойчивой к коррозии. Более толстые покрытия обеспечивают лучшую защиту от коррозии и продлевают срок службы материала. Зависимость между толщиной цинкового покрытия и сроком службы коррозионной стойкости почти линейна: более толстые покрытия обеспечивают пропорционально более длительную защиту. Например, удвоение толщины цинкового покрытия может почти удвоить ожидаемый срок службы оцинкованной стали в данной среде.

Время появления первых признаков коррозии на оцинкованной стали варьируется в зависимости от окружающей среды. В высококоррозионных промышленных средах первые признаки коррозии могут появиться в течение 5–10 лет, тогда как в сельской местности для появления видимой коррозии может потребоваться более 30 лет. Однако важно отметить, что появление первых признаков коррозии не обязательно означает окончание срока службы оцинкованной стали. Цинковое покрытие будет продолжать защищать сталь, лежащую под ним, даже во время коррозии, продлевая общий срок службы материала.

Чтобы точно спрогнозировать срок службы коррозионной стойкости оцинкованной стали в конкретном применении, важно учитывать местные условия окружающей среды, толщину цинкового покрытия и требуемый срок службы конструкции или изделия. Понимая эти факторы и выбирая подходящий тип оцинкованной стали, дизайнеры и инженеры могут быть уверены, что их проекты выдержат испытание временем и обеспечат длительную работу даже в самых сложных условиях.

6. Меры по техническому обслуживанию и предотвращению коррозии оцинкованной стали.

Хотя оцинкованная сталь по своей природе устойчива к коррозии, правильное техническое обслуживание и профилактические меры могут еще больше продлить срок ее службы и обеспечить оптимальную работу в различных средах. Регулярная очистка, предотвращение гальванической коррозии, повторное нанесение защитных покрытий при необходимости и выбор подходящих условий хранения являются важными шагами в сохранении целостности оцинкованных стальных конструкций и изделий.

Регулярная очистка имеет решающее значение для удаления грязи, мусора и коррозийных веществ, которые со временем могут накапливаться на поверхности оцинкованной стали. Загрязнения, такие как соль, промышленные загрязнители и кислотные соединения, могут ускорить процесс коррозии, если их не контролировать. Для очистки оцинкованной стали используйте мягкий раствор моющего средства и щетку или ткань с мягкой щетиной, а затем тщательно промойте чистой водой. Избегайте использования абразивных материалов или агрессивных химикатов, поскольку они могут повредить цинковое покрытие и ухудшить его защитные свойства.

Гальваническая коррозия является еще одной проблемой при обслуживании оцинкованной стали. Этот тип коррозии возникает, когда два разнородных металла находятся в непосредственном контакте друг с другом в присутствии электролита, например воды или влаги. Чтобы предотвратить гальваническую коррозию, важно избегать прямого контакта между оцинкованной сталью и более благородными металлами, такими как медь, бронза или нержавеющая сталь. Если контакт неизбежен, используйте непроводящие прокладки или изолирующие материалы для разделения металлов и предотвращения образования гальванического элемента.

В некоторых случаях может потребоваться повторное нанесение защитного покрытия на оцинкованную сталь, чтобы продлить срок ее коррозионной стойкости. Это особенно актуально для конструкций или изделий, подвергающихся воздействию суровых условий окружающей среды или имеющих повреждения цинкового покрытия. Краски с высоким содержанием цинка и эпоксидные покрытия являются распространенными вариантами ремонта и усиления защиты оцинкованной стали. Перед нанесением каких-либо дополнительных покрытий убедитесь, что поверхность чистая, сухая, не содержит коррозии и отслоившихся частиц. Следуйте инструкциям производителя по нанесению и отверждению для достижения наилучших результатов.

Правильные условия хранения также важны для поддержания коррозионной стойкости оцинкованной стали. При хранении изделий или конструкций из оцинкованной стали выбирайте хорошо проветриваемое помещение с низким уровнем влажности. Высокая влажность может привести к образованию конденсата на поверхности металла, что может ускорить процесс коррозии. Если возможно, храните компоненты из оцинкованной стали в помещении или под защитным покрытием, чтобы свести к минимуму воздействие влаги и загрязнителей окружающей среды. Если необходимо хранение на открытом воздухе, убедитесь, что предметы не находятся в прямом контакте с землей и защищены от дождя и снега.

Применяя эти меры по техническому обслуживанию и предотвращению коррозии, руководители объектов, специалисты по техническому обслуживанию и владельцы оцинкованных стальных конструкций и изделий могут значительно продлить срок службы своих инвестиций. Регулярная очистка, предотвращение гальванической коррозии, повторное нанесение защитных покрытий при необходимости и обеспечение надлежащих условий хранения — все это способствует долговременной эксплуатации и долговечности оцинкованной стали в различных областях применения.

7. Заключение

В заключение отметим, что оцинкованная сталь является отличным выбором для применений, требующих долгосрочной устойчивости к коррозии благодаря защитному цинковому покрытию. Сочетание барьерной защиты, обеспечиваемой слоем карбоната цинка, и защитной анодной защиты цинка делает оцинкованную сталь долговечным и надежным материалом во многих средах. Однако важно понимать, что оцинкованная сталь не полностью защищена от ржавчины и при определенных условиях все же может подвергаться коррозии.

Факторы окружающей среды играют решающую роль в коррозии оцинкованной стали. Высокая влажность, соленая среда, частое намокание или погружение в воду, промышленные загрязнения, сероводород, сильные щелочи, кислые дождевые стоки и микросреда, созданная мхом и лишайником, могут ускорить процесс коррозии. Понимание этих факторов и их влияния на оцинкованную сталь имеет решающее значение для выбора подходящего типа оцинкованного покрытия и определения необходимых мер по техническому обслуживанию.

Правильный уход и использование могут значительно продлить срок службы оцинкованной стали. Регулярная очистка от грязи и коррозийных веществ, предотвращение гальванической коррозии путем предотвращения прямого контакта с разнородными металлами, повторное нанесение защитных покрытий, когда это необходимо, а также выбор хорошо вентилируемых помещений для хранения с низкой влажностью — все это важные шаги для поддержания целостности и коррозионной стойкости оцинкованных изделий. стальные конструкции и изделия.

При выборе материалов для конкретного применения крайне важно всесторонне учитывать условия эксплуатации и требования к защите от коррозии. Следует принимать во внимание такие факторы, как ожидаемый срок службы, коррозионная активность окружающей среды и требуемый уровень технического обслуживания. Тщательно оценивая эти факторы и выбирая подходящий тип оцинкованной стали, дизайнеры, инженеры и руководители проектов могут гарантировать, что их конструкции и продукты будут обеспечивать длительную работу и долговечность даже в самых сложных условиях.

Таким образом, хотя оцинкованная сталь не является полностью устойчивой к ржавчине, ее превосходные свойства коррозионной стойкости делают ее ценным материалом для широкого спектра применений. Понимая факторы, влияющие на ее коррозионную стойкость, внедряя надлежащие методы технического обслуживания и выбирая подходящий тип оцинкованной стали для каждого применения, заинтересованные стороны могут максимизировать срок службы и производительность своих оцинкованных стальных конструкций и изделий, гарантируя разумные инвестиции и долгосрочную перспективу. успех.