起重機械金屬結構噴涂聚脲涂層耐腐蝕性能研究

冷慶虎 周葉平 毛錦榮 陳星斌

（江西省特種設備檢驗檢測研究院，江西 南昌 330096）

0 前言

近年來，隨著國內基礎工業建設以及國家重點支持的產業如核電、造紙、垃圾處理、鐵路、船舶、風電、海洋石油等領域大力發展，給起重機制造企業帶來了機遇，同時也面臨了許多挑戰[1]。由于材料腐蝕、磨損等原因造成的損失巨大，帶來的后果非常嚴重，各個國家也日益重視了這方面的問題，國內外許多研究專家做了大量的研究，其中大量的腐蝕、磨損、疲勞問題都和金屬材料的表面有關。因此，積極探討適用的表面防護處理技術，有效防止金屬構件的失效具有十分重要的意義。當前防止起重機械金屬結構腐蝕可采取的方法有很多種，主要有：電鍍鋅、熱浸鋅、機械鍍鋅、真空浸鋅、達克羅涂裝、美加力涂裝，95%以上起重機金屬結構都是用油漆涂裝來防腐蝕，現階段的防腐蝕設計要求是10年以上（約1000h）鹽霧試驗[2]，以上各種防腐蝕技術手段的優缺點都非常明顯。但是服役于石材加工基地、酸洗車間等惡劣環境中的起重機械金屬結構壽命卻很難達到設計的預期值，因此針對惡劣環境下（高溫、酸性氣體環境）服役的起重機械，如何加強起重機械金屬結構的防腐蝕性能顯得尤為迫切。聚脲是一種新型綠色重防腐材料，與傳統的重防腐材料相比，在材料自身的性能、防腐效果、耐蝕性、經濟性和施工等方面都有一定的優勢[3]。在基材表面噴涂聚脲材料，可以顯著地提高基體材料的防腐蝕性能。根據前期對起重機械金屬結構腐蝕的原因分析[4]，本文從起重機械金屬結構噴涂聚脲涂層的附著力、耐腐蝕性能、耐高溫腐蝕性能方面進行研究，以期為聚脲涂層在起重機械金屬結構防腐蝕中的應用提供一定的技術支撐。

1 試驗材料與方法

聚脲涂層試樣材料為2mm厚的Q235，外形尺寸如圖1所示。為保證獲得良好的聚脲涂層，必須對試樣表面進行適當的預前處理。其處理工藝如下：酸洗-噴砂-堿中和-烘干，確保試樣在噴涂聚脲材料之前試樣表面無油污和銹蝕，以免噴涂聚脲后出現氣泡、剝落、脫層等缺陷。將A、B 兩種組分按一定的比例噴在上述備好的試樣上完成試樣的制備。分別制備噴涂聚脲涂層厚度為0mm的1個，0.6mm的7個，1.2mm的7個，2mm的1個，試樣共計16個。

圖1 腐蝕試樣

2 試樣聚脲涂層附著力測試

試驗方法：根據ISO12944-6《油漆保護系統對鋼結構的防腐蝕保護-實驗室性能試驗方法 》對涂層厚度大于250um的涂層附著力要求按照ISO 4624拉開法測附著力，并且要求達到5MPa視為合格。采用粘結力測試儀對試樣進行測試，根據ISO12944-6的規定，將試樣置于標準大氣環境30天后進行。因為涂層經過30天風化后，涂層進入了穩定狀態測得。準備2組試樣，每組3個，對試樣組1（涂層厚度0.6mm）和試樣組2（涂層厚度1.2mm）進行附著力性能測試，浸泡溶液為0.1mol/L H2SO4溶液，試驗溫度為25℃，每組浸泡間隔兩周后取出進行粘結力的測試，測試結果為3個試樣的平均值，試驗結果見表1所示，從表1粘結力測試結果可知試驗中6個試樣的粘結力都大于5MPa，符合ISO12944-6的要求。

3 腐蝕試驗方法與分析

3.1 耐NaCl腐蝕試驗

試驗方法：試樣浸泡在去離子水配制的 3.5%NaCl 溶液中進行，試驗溫度為25℃，3-1號試樣聚脲涂層厚度為0.6mm，3-2號試樣聚脲涂層厚度為1.2mm，每480h取出試樣觀察腐蝕情況，試驗結果如圖2所示。

表1 粘結力測試結果

圖2 NaCl腐蝕試驗宏觀圖

在未腐蝕前，3-1和3-2試樣表面都有不同程度的突起，3-2號試樣表面相比3-1號試樣顯得較為粗糙。腐蝕480h后，3-1試樣右上邊沿和下邊沿開始有淺黃色的銹跡出現，3-2試樣不明顯，均有淺黃色銹跡進一步擴大趨勢。腐蝕960h后，3-1號試樣右邊出現銹跡，銹跡開始聚集形成較大團聚狀，而且顏色較之前的要深，3-2試樣淺黃色銹跡擴大不明顯。腐蝕1440h后，3-1號試樣的腐蝕區域進一步擴展，左下角的黃色銹跡相比腐蝕960h時已經變大了，2號試樣的左上角位置有淡黃色銹跡，但整體上變化不明顯?？梢钥闯?，2號試樣耐NaCl腐蝕能力優于1號 試樣。

3.2 耐H2SO4腐蝕試驗

試驗方法：將聚脲樣片浸泡在0.1mol/L H2SO4溶液中，試驗溫度為25℃，觀察涂層表面形貌變化，4-1號試樣涂層厚度為0.6mm，4-2號試樣涂層厚度為1.2mm，每480h取出試樣觀察腐蝕情況，試驗結果如圖3所示。

圖3 H2SO4腐蝕試驗宏觀圖

4-1號試樣在腐蝕前，在其上部邊緣呈現出“高低起伏”，其他部位則比較光滑平整。4-2號試樣整個表面上有起皺的現象。從圖3看出，4-1號和4-2號試樣在H2SO4溶液中變化不明顯，也未發現有孔洞存在，說明涂層有較好的耐H2SO4腐蝕能力。

3.3 耐模擬CO2和NaNO2共存溶液的腐蝕試驗

試驗溶液：將0.14gNaNO2將入到200mL CO2溶液得到CO2+NaNO2溶液。

試驗方法：將試樣浸泡在CO2+NaNO2溶液中，在25℃試驗條件下經一定時間后，觀察涂層表面形貌變化，5-1號試樣涂層厚度為0.6mm，5-2號試樣涂層厚度為1.2mm，每480h取出試樣觀察腐蝕情況，試驗結果如圖4所示。

5-1號試樣腐蝕前，除了上邊中部有小突起和下邊局部有凹陷外，整體上涂層比較均勻。5-2號試樣表面噴涂較好，未發現缺陷。從圖4可以看到試樣5-1從腐蝕0h到腐蝕1440h都呈現出光滑的表面，沒有明顯的腐蝕痕跡。相同的是，試樣5-2表面未出現腐蝕過的跡象，這表明1號和2號試樣具有較強的耐模擬CO2和NaNO2共存溶液腐蝕能力。

圖4 CO2+NaNO2腐蝕試驗宏觀圖

3.4 耐高溫腐蝕試驗

試驗方法：試驗介質選用去離子水配制的 3.5%NaCl 溶液，試驗溫度為80℃，腐蝕時間為120h，試樣為1#、2#、3#、4#，涂層厚度分別為0mm、0.6mm、1.2mm、2mm。將聚脲涂層試樣分別系好在裝置試樣架上，在裝置內添加去離子水配制的3.5%NaCl 溶液，直到試樣全部浸泡在溶液中，并打開加熱器加熱，設置好預定溫度。試驗結束后，關掉加熱器再取出裝置內的腐蝕試樣，并用蒸餾水沖洗試樣表面雜質，將它們放入丙酮和酒精中清洗，吹干后放入干燥皿中，再用電子天平（精度0.1mg）稱取試驗后涂層試樣的重量，根據腐蝕失重法公式其計算腐蝕速率。平均腐蝕速率計算公式如式（1）所示。

表2 腐蝕速率

mo表示試樣腐蝕前重量，單位：g； m1表示試樣腐蝕試驗后的重量，單位：g；ρ表示金屬基材的密度，單位：g/cm3； S表示試樣表面腐蝕面積，單位：mm2； t 表示試樣腐蝕時間，單位：h； vL表示試樣平均腐蝕速率，單位：mm/a-1。

通過腐蝕前后質量稱量和腐蝕面積量取，然后根據式（1）計算可得腐蝕速率，如表2所示。

從表2可以看出，基材Q235的腐蝕速率高達30.961×10-4mm·a-1，在基體表面進行噴涂聚脲涂層能明顯改善其耐蝕性能，2#、3#、4#試樣腐蝕速率有大幅度的下降，1#試樣腐蝕速率為4#試樣的8.87倍?？梢娫诨wQ235表面噴涂聚脲涂層后能明顯提高基體材料的耐蝕性?；w表面脲涂層的厚度不同，其耐蝕性也有所不同，0.6mm厚度的聚脲涂層的腐蝕率下降為基材的26.3%，1.2mm厚度的聚脲涂層的腐蝕率下降為基材的17.3%，而2mm厚度的聚脲涂層的腐蝕率下降為基材的11.2%。分析得出：隨著聚脲涂層試樣厚度的增加，涂層試樣的的耐蝕性有明顯提高的趨勢。在腐蝕環境中，理想的有機涂層對腐蝕介質有屏蔽和阻擋作用，可以很好地阻擋或延遲如水分子、氯離子等腐蝕性介質接觸基材表面，與基材表面發生腐蝕，從而顯著地提高基材的耐蝕性能，很好地保護金屬基體。

4 結論

（1）噴涂聚脲涂層在起重機械金屬結構基材Q235上的附著力隨著涂層厚度的增加，附著力有降低的趨勢；

（2）噴涂了聚脲涂層的試樣耐NaCl溶液、H2SO4溶液、模擬CO2和NaNO2共存溶液腐蝕性能良好，未見明顯開裂和脫落現象；

（3）在Q235基材表面噴涂聚脲涂層能明顯改善基材的耐腐蝕性能，在相同高溫的腐蝕試驗條件下，噴涂0.6mm、1.2mm、2mm厚聚脲涂層試樣的腐蝕速率分別是基材腐蝕速率的26.3%、17.3%、11.2%，隨著涂層厚度的增加，試樣的耐腐蝕性能明顯提高。