Realizzazione di un rivestimento di conversione cromata uniforme su lega di Zn per una migliore resistenza alla corrosione in ambienti umidi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14311 (2023) Citare questo articolo

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Abbiamo sviluppato un metodo semplice per produrre un rivestimento uniforme di conversione cromatica (CC) su substrati di acciaio placcato in lega di zinco (ZS). Quando una soluzione acida di CC viene applicata a ZS (C-ZS), lo zinco viene sciolto e gli ioni cromo vengono ridotti per formare un rivestimento cromato. Nelle aree localizzate dove lo zinco è eccessivamente disciolto, si formano particelle di idrossido di zinco, che ostacolano la formazione di un film cromato uniforme, lasciando le aree vulnerabili ad ulteriore corrosione (cioè alla formazione di macchie scure) se esposte a condizioni di elevata umidità. Per sopprimere l'eccessiva dissoluzione dello zinco, la superficie ZS è stata pretrattata con ossido di polietilene tiolato per formare un monostrato idrofilo autoassemblato. Sullo ZS pretrattato è stato ottenuto un rivestimento protettivo CC più uniforme, con conseguente resistenza alla corrosione superiore in condizioni di elevata umidità.

L'acciaio placcato in lega di zinco (ZS) è ampiamente utilizzato in varie applicazioni industriali grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione1, 2. Per migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione dello ZS, viene spesso utilizzato un rivestimento di conversione cromatica acida (CC) come post-trattamento processo3, 4. Quando una soluzione acida di CC viene applicata a ZS, la dissoluzione anodica dello zinco porta alla precipitazione catodica dell'ossido di cromo, che funge da barriera per proteggere la lega di zinco sottostante da ambienti corrosivi1, 5, 6.

Sebbene i rivestimenti CC si siano dimostrati efficaci nel prevenire la corrosione generale, gli studi hanno segnalato la comparsa di piccole macchie scure su ZS rivestiti con CC (C-ZS) in condizioni di elevata umidità7, 8. Queste macchie scure sono causate da prodotti di corrosione dello zinco, come lo zinco ossido e idrossidi di zinco. Sebbene l'ossido di zinco e gli idrossidi di zinco siano generalmente di colore bianco, possono apparire scuri a causa delle variazioni nelle proprietà ottiche dei prodotti della corrosione e dello zinco sottostante7. Una volta che appaiono le macchie scure, queste possono indurre il distacco di una pellicola organica applicata, come la vernice, e possono portare allo sviluppo di prodotti di corrosione bianchi più grandi8, 9. Pertanto, lo sviluppo di un metodo per sopprimere la formazione di macchie scure durante il rivestimento CC è necessario un processo.

In questo studio, è stato rivelato che la comparsa di macchie scure sulla superficie del C-ZS è stata innescata dal danno localizzato inflitto al ZS durante l'applicazione del rivestimento acido CC. Le regioni lasciate senza una copertura adeguata tendevano a svilupparsi in macchie scure se esposte ad elevata umidità. Per mitigare i danni superficiali, la superficie ZS è stata pretrattata con un monostrato autoassemblato (SAM) di ossido di polietilene tiolato (PEO-SH) prima di applicare il rivestimento CC. Sebbene i SAM idrofobici siano stati impiegati per proteggere i substrati metallici dall'acqua aggressiva e dalle molecole di acido10,11,12, per quanto ne sappiamo, questo è il primo tentativo di utilizzare un SAM idrofilo per ottenere un rivestimento CC uniforme su ZS. La superficie di C-ZS trattata con uno strato intermedio di PEO-SH (CP-ZS) ha mostrato danni minimi e ha prevenuto efficacemente la formazione di macchie scure durante il trattamento di rivestimento CC. Il CP-ZS risultante ha dimostrato una resistenza alla corrosione superiore al C-ZS in ambienti ad elevata umidità.

L'acciaio placcato in lega di Zn a caldo è stato ottenuto da POSCO (Corea). Lo strato di lega di zinco comprende 97% Zn, 1,5% Mg e 1,5% Al. Cr(NO3)3 ed etanolo (assoluto) sono stati acquistati rispettivamente da UNICOH (Corea) e Sigma-Aldrich (St. Louis, MO). A causa della natura cancerogena del cromo esavalente, abbiamo utilizzato il cromo trivalente per il processo di rivestimento di conversione. L'ossido di polietilene tiolato (PEO-SH, Mw: 356 g/mol) è stato acquistato da Polypure (Oslo, Norvegia). L'acido nitrico (60%) e il metil etil chetone sono stati ottenuti rispettivamente da SAMCHUN (Corea) e DAE JUNG (Corea). L'acqua deionizzata (DI) (18,3 MΩ·cm) è stata ottenuta utilizzando un sistema di osmosi inversa (Human Corporation, Corea).

Come soluzione di rivestimento CC è stata preparata una soluzione al 3% in peso di Cr(NO3)3 in acqua DI ed etanolo 7:3 (v:v). Seguendo i tipici processi commerciali13, 14, il pH della soluzione di rivestimento CC è stato regolato a 1,6 utilizzando il 20% in peso di acido nitrico. L'etanolo è stato impiegato per migliorare la bagnabilità della soluzione su ZS. Vale la pena notare che l'uso di composti organici volatili nella produzione industriale è limitato a una quantità bassa. La soluzione PEO-tiolo è stata preparata sciogliendo PEO-SH in etanolo assoluto ad una concentrazione finale di 10 mM. I campioni ZS sono stati tagliati in quadrati di 3,7 × 3,7 cm, sgrassati in metil etil chetone e quindi sonicati in etanolo per 3 minuti. Successivamente, i quadrati ZS sono stati immersi nella soluzione PEO-tiolo per 24 ore per ottenere P-ZS. La soluzione CC è stata quindi applicata a ZS e P-ZS utilizzando un dispositivo di rivestimento a barra per creare rispettivamente C-ZS e CP-ZS. I campioni C-ZS e CP-ZS sono stati quindi essiccati in un forno a 100 °C a una temperatura di picco del metallo di 60 °C.