Моделирование равномерной коррозии цинка при испытаниях в солевом тумане

Почему это важно для повседневных металлических деталей

От кузовов автомобилей до линий электропередачи — многие металлические детали защищены тонкими цинковыми покрытиями, которые растворяются первыми, защищая сталь под ними. Инженеры широко используют «испытания в солевом тумане», чтобы оценить срок службы таких покрытий в агрессивной солёной среде, напоминающей уличную реагентную обработку или морской воздух. Однако эти испытания трудно интерпретировать, и они не всегда дают последовательные количественные результаты. В этой работе решается эта проблема с помощью физически обоснованной компьютерной модели, которая предсказывает скорость истирания цинка в условиях солевого тумана, стремясь превратить качественный лабораторный тест в более надёжный инструмент проектирования.

Как цинковые покрытия защищают металл

Цинковые покрытия действуют как жертвенные щиты: они корродируют первыми и сохраняют сталь под покрытием. В солёной воде цинк растворяется в виде заряженных частиц (ионов), а кислород из воздуха реагирует с образованием тонкого, первоначально неплотного слоя продуктов коррозии, главным образом гидроксида цинка и оксида цинка. Со временем этот слой разрастается и может частично замедлять дальнейшее поражение. В реальных камерах для испытаний в тумане поверхность не погружена в лужу воды. Вместо этого тонкая плёнка солёной влаги постоянно образуется из распыляемых капель, утолщается, а затем периодически стекaет. Эти циклические изменения плёнки контролируют, сколько кислорода и соли достигают металла и как быстро накапливаются ионы цинка, что в конечном счёте определяет скорость коррозии.

Построение модели коррозии с нуля

Авторы разработали численную модель, связывающую три ключевых элемента: электрохимические реакции, растворяющие цинк; транспорт ионов и кислорода через тонкую водную плёнку; и образование твёрдых продуктов коррозии, создающих растущий барьер. Перемещение ионов описано стандартным уравнением диффузии, электрические эффекты упрощены, а коррозия рассматривается как сочетание процессов, контролируемых реакцией на поверхности, и процессов, контролируемых диффузией. Специальная зависимость, уравнение Брёнстеда–Бьеррума, корректирует скорость образования гидроксида цинка, когда концентрация соли в водной плёнке становится очень высокой, как это часто бывает в тонком, медленно осушаемом слое. Чтобы модель оставалась реалистичной, но управляемой, авторы предполагают равномерную коррозию по поверхности и фокусируются только на цинковом слое, не включая пока позднее повреждение стали под ним.

Проверка модели на реальных экспериментах

Для настройки модели команда сначала смоделировала более простую ситуацию: чистый цинк, погружённый в разбавленный солевой раствор. Они скорректировали три неопределённых параметра — скорость осаждения гидроксида цинка, подвижность ионов цинка в плёнке и пористость оксидного слоя — до тех пор, пока результаты моделирования не совпали с опубликованными измерениями глубины коррозии, толщины оксида и количества цинка, переходящего в раствор. Эта калибровка показала, например, что более быстрое осаждение утолщает оксидный слой и замедляет коррозию, ограничивая доступ кислорода. После калибровки те же параметры были применены к гораздо более реалистичному нейтральному испытанию в солевом тумане, имитирующему морскую воду из Керченского пролива. Там модель уловила важный переход: вначале коррозия управляется в основном поверхностными реакциями, но по мере роста оксидного слоя и концентрации ионов она становится ограниченной скоростью диффузии через всё более загромождающийся слой.

Почему важно движение водной плёнки

Отличительная черта испытаний в солевом тумане — нестабильность тонкой водной плёнки. Распылённые капли постепенно утолщают слой, пока гравитация и силы поверхностного натяжения не вызовут его частичный сток, унося с собой растворённый цинк и кратковременно истончая плёнку. Авторы учли это, позволяя толщине плёнки расти с заданной скоростью, а затем периодически сбрасывая её до меньшего значения, на основе измеренных периодов стока и углов наклона образцов. Моделирование показало, что более интенсивное распыление и большие углы наклона обычно увеличивают скорость коррозии на ранних стадиях, поскольку поверхность постоянно снабжается свежим раствором. Более длительные интервалы между стоками дают больше времени для накопления ионов цинка, что усиливает диффузионные барьеры и может замедлить коррозию позднее. Когда динамика плёнки включена в модель, а оксидный слой предполагается умеренно пористым, модель воспроизводит измеренные скорости коррозии в испытаниях в солевом тумане обычно с точностью около 20 процентов.

Что это значит для реальной долговечности

Проще говоря, исследование показывает: то, как солёная водяная плёнка растёт, концентрируется и стекает с цинко-покрытой поверхности, так же существенно для скорости исчезновения покрытия, как и сама химия цинка. Периодически обновляемая плёнка препятствует сильному накоплению ионов цинка и может поддерживать более высокие скорости коррозии, тогда как плотная, сплошная оксидная корка замедляет коррозию, но со временем может трескаться или отслаиваться. Зафиксировав эти компромиссы в одной относительно эффективной модели, работа создаёт основу для более количественных прогнозов срока службы изделий с цинковым покрытием и для расширения подхода на более сложные промышленные испытания коррозии, включающие циклы сушки, изменение температур и, в конечном счёте, начало коррозии стали после полного расходования цинка.

Цитирование: Chen, C., Hofmann, M. & Wallmersperger, T. Modeling the uniform corrosion behavior of zinc in salt spray testing. npj Mater Degrad 10, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00749-0

Ключевые слова: коррозия цинка, испытание в солевом тумане, цинковые покрытия, моделирование коррозии, электролитная пленка