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行業新聞
鋅和鋅陽極
- 作者:立博
- 來源:wwww.52giftweb.com
- 發布時間:2023-02-10
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鋅是一種普通的重金屬,原子序數30,相對原子質量65.37,密度7.14g/cm3,化合價+2,熔點420℃。鋅的標準電極電位為-0.76V(SHE),高純鋅在海水中的穩定電位為-0.82(SHE)。鋅是一種較活潑的金屬,相對于鋼鐵及常用金屬結構材料而言是負電性的。但解的電極電位不及鎂電極負,其相對于鋼鐵的保護電位只有0.25V的驅動電位。因此律陽極在高電阻率的土壤或淡水中不太適用,通常多用于海水、某些化學介質和低電阻率的土壤或灘涂地。然而,鋅和鋅合金作為犧牲陽極的電流效率是很高的,在海水中可以達到95%,在土壤中也可達到65%以上。
鋅的腐蝕速度與溶液介質的pH值密切相關。鋅在中性和堿性溶液中由于形成了堿式碳候鋅的保護膜,因此腐蝕速度很低。當在酸性溶液(pH<6)和堿性溶液(pH>12.5)中時,由于已有保護膜溶解且不能形成新的腐蝕產物膜,則使腐蝕速度急劇上升。
鋅陽極的自溶解速度是相當低的,在靜止水條件下,常溫工業水中約為0.02g/(m2. h),在常溫海水中這一數值增大約50%。而在流動水中,其腐蝕率要大很多。在熱水中。由于鋅的鈍化傾向,不適宜作犧牲陽極使用。
鋅陽極的種類很多,有高純鋅、Zn-Al系合金、Zn-Sn系合金、Zn-Hg系合金、Zn-Al-Mn系合金、Zn-Al-Cd系合金等。我國1965年以前基本是采用純鋅陽極,之后便主要用三元鋅合金,即Zn-Al-Cd系合金。
?。?)高純鋅犧牲陽極 在1824年,Humphrey Davy首先采用鋅作為犧牲陽極來防止木質戰艦外殼銅包皮在海水中的腐蝕,取得了開創性的成功。此后采用工業純鋅作犧牲陽極以期保護鋼船殼的水下部分,但由于雜質的影響而告失敗。后來經過大量的科學研究和實際應用試驗,才制造成功許多高效的鋅陽極。
Zn含量大于99.995%和雜質Fe含量小于0.0014%的高純鋅(精煉)可直接用作為犧牲陽極。精煉鋅的品粒通常是很粗大的,它的
浸蝕形貌。為使晶粒細化,可添加至多0.15%Cd和0.5%Al。
在海水中,HCO3-可在鋅上形成覆蓋層并導致鋅更強烈的極化。在低鹽水中和鋅陽病負載不大的情況下,將產生難溶的堿式氯化鋅及其他的難溶堿式鹽。在污染水中還可能有磷酸鹽存在,因此而形成的ZnNH4PO4是很難溶的。這些化合物只是在pH=7附近相當窄范圍中才沉淀出來。通過在鋅陽極表而上進行的水解反應產生了弱酸性介質,在這種介質中,上述化合物的溶解度明顯增大了,使鋅陽極仍然呈活化態,尤其在流動海水中和高物感鹽溶液介質中更加明顯。
雜質元素對鋅的陽極行為和自溶性有很大影響。雜質元素在鋅中以夾雜物形式存在它與母體金屬組成了局部腐蝕微電池。微電池的工作過程使鋅表面上形成了氫氧化物或氫氧化物-碳酸鹽沉淀,并使其沉淀速度加快。由此在鋅表面形成了一層致密、堅固的糖蓋膜,使鋅鈍化,阻礙了鋅的進一步溶解。這種現象對于作為犧牲陽極的鋅基材料是不允許發生的。
Fe、Cu、Pb是鋅中的有害雜質元素,必須限制其含量以保證犧牲陽極的性能。在純銷中,允許的最大Fe含量為0.0014%,如Fe含量稍有增加,就會引起陽極材料極化率顯著增大,陽極電位顯著正移。為此,往往在鋅中添加一些合金元素,如Al、Cd、Si、Hg、Sn、Mn等,以消除雜質Fe的有害作用,由此還可提高鋅合金中允許的臨界Fe含量。
在陰極保護系統中,作為犧牲陽極的鋅不可避免地將發生陽極極化,這將使鋅的工作電位正移和驅動電壓減小。當電流密度在0~1A/m2范圍內時,發生的陽極極化傾向最大,可達34mV;電流密度進一步提高到7A/m2時,極化發展并不明顯。高純鋅在電流密度為0~7A/m2范圍內時,其極化率等于8.6mV/(A/m2)。海水中,高純鋅在同一電流密度下極化不同時間,以及在不同電流密度下極化較長時間,都能使高純鋅的電極電位變正,電流效率下降。
Fe是鋅中主要的有害雜質,它對海水中鋅的電極電位和電流效率的影響很大。鋅陽極的腐蝕行為與溫度有很大關系,鋅在約60℃的含氧淡水中電位相當正,其原因是鋅表面沉積層的組織結構發生了變化,使鋅的穩定電位正移,甚至可比鐵的保護電位更正,鋅成為鋅鐵電偶對中的陰極,這樣不僅不能起保護作用,反而會加快鋼鐵的腐蝕。
?。?)Zn-Al-Cd合金犧牲陽極 Zn-Al-Cd系合金通常稱為三元鋅犧牲陽極,具有溶解性能好、電流效率高、保護效果可靠、容易制造、價格低廉等特點,得到了廣泛應用。犧牲陽極的電化學性能主要決定于陽極材料的化學成分。在Zn-Al-Cd系合金中,以美國軍用標準MIL-A-18001H所規定的陽極最為有名,該陽極的開路電位為-1.04V,電流效率為91%。我國使用的Zn-Al-Cd系合金其電化學性能與上述MIL-A-18001H所規定的很接近。
在Zn-Al-Cd合金中添加Al和Cd的作用主要如下。
?、偌毣妨?。在精煉鋅中添加了一定量的Al和Cd后,可從原來純鋅的柱狀晶轉變為細小的等軸品。這對于改善鋅合金的耐蝕性、溶解均勻性和力學性能是十分有利的。
?、谙s質元素的不利影響。
純鋅中添加0.1%Al,可與0.003%Fe形成固溶體。這種固溶體的電位比純鐵負,從而可減弱鋅合金的自腐蝕作用。若添加0.3%Al,形成的腐蝕產物將變得硫松和容易脫落。在鋅中添加0.06%Cd,將與鋅內的Pb形成固溶體,這種固溶體的電位比鉛負,也可減弱鋅合金的自腐蝕作用。
在鋅中加入0.3%Al和0.06%Cd,可在較大程度上消除雜質Fe和Pb的有害作用,使綜合金中的Fe和Pb的允許含量分別可達到0.003%和0.006%.進而使這類合金的生產更容易一些,成本也可更低一些。無論是合金元素還是雜質含量,如果超過了規定的范圍,都將對陽極性能產生不利影響。
鋅合金陽極的腐蝕行為與溫度密切相關。當溫度超過55~60℃時,存在著電位的極性反轉現象,原來的鋅合金陽極轉變為陰極,反而加速原被保護鋼結構件的腐蝕。在海水中,20℃時這種鋅合金陽極的溶解是均勻的,但從40℃開始出現晶間溶解,70℃時有明顯的穿晶腐蝕和晶粒脫落現象。犧牲陽極的電流效率也隨海水溫度升高而下降。
鋅合金陽極對鋼的驅動電壓僅為0.2V左右,但目前仍然獲得了較廣泛的應用。在海船外殼的犧牲陽極保護中,鋅和鋅合合陽極約占所用全部犧牲陽極的90%左右。在海船艙內的保護,特別是油輪艙內的保護時,鋅和鋅合金陽極是唯一可用的犧牲陽極材料,因為它們與鋼結構撞擊時不產生火花。在海水中的管道外保護時,采用鐲形或半環形的鋅合金陽極。在微咸水或高鹽水中對容器的內保護也可用這類陽極。在淡水中,鋅合金陽極使用很有限,這是因為它們的易鈍化性,且當介質的導電性低時,陽極的穩定電位和極化性都隨時間延長顯著升高。在土壤中應用時也是如此。