高氯環境下鋼結構涂層防腐蝕技術創新研究

史 魏,楊 陽,高青山

(1.蘇州科技大學,江蘇 蘇州 225300;2.沈陽建筑大學,遼寧 沈陽 121000;3.哈爾濱理工大學,黑龍江 哈爾濱 036000)

鋼結構材料是目前最常用的建筑材料之一,但受到鋼鐵材料特殊性質的影響,作為海洋建設材料使用時,易受海水浸泡影響,腐蝕情況嚴重,造成極大的安全隱患。為解決鋼鐵材料在海水中腐蝕嚴重的問題,部分學者也進行了很多研究,如以水性防腐涂料為主要研究對象,探究了水性防腐涂料在海洋鋼結構中的應用[1]。制備了一種鋼結構用丙烯酸樹脂涂料,并對其防腐性能進行研究,該丙烯酸涂料具備一定的耐鹽霧性能[2]。以電弧噴涂合金涂層為研究對象,研究該方法制備的涂層對鋼結構材料的影響,表現出較好的腐蝕效果[3]。基于此,本試驗以文獻[4]為參考,對傳統鋼結構合金涂層進行優化,為海洋設施鋼結構提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:氯化鈉(AR),魯恒化工;Q235鋼板,瑞爾法新材料;丙酮(AR),翔昭新型材料;乙醇(AR),銘悅化工;金屬鋅、鋁(標準規格),熠望新材料)。

主要設備:GDS-1030型超聲波清洗機(光點超聲波設備);QK-620S型噴砂機(崎科機械設備); EVO 10型電子顯微鏡(靈恩機電);CMD-AS3000 型系統(斯康達電子);SJ-E型高速電弧噴槍(科喆機械制造);JSM6510型EDS能譜分析儀(世紀遠景設備);XRD型X射線衍射儀(賽力威設備);TD-1000型疲勞試驗機(賽成電子科技)。

1.2 試驗方法

1.2.1噴涂絲材成分確定

通過改變噴涂絲材中鋁鋅比對噴涂絲材進行優化,其中,Zn-15Al鋁質量分數為10%～15%,鋅質量分數為85%～90%;Zn-50Al鋁質量分數為45%～50%,鋅質量分數為50%～55%。絲材直徑約2 nm;基材為軋鋼板,尺寸為5 mm×7 mm×0.3 cm。

1.2.2防腐涂層的制備

(1)將試件置于GDS-1030型超聲波清洗機中的丙酮溶液中進行超聲洗滌,洗滌時間為15 min;

(2)清洗結束后,通過QK-620S型噴砂機進行噴砂處理,噴砂壓力為5.5 kPa,在壓縮空氣的作用下將噴砂殘余物質去除;

(3)在試件表面噴涂涂層,噴射參數為:噴射電壓31 V,電流130 A,氣壓0.65 MPa,噴射距離80 nm。

1.3 性能測試

1.3.1形貌測定

參照GB/T 9793—1997對評定涂層宏觀形貌[5-6]。通過電子顯微鏡表征材料的微觀形貌。

1.3.2孔隙率測定

通過灰度法對材料的孔隙率進行測定[7]。

1.3.3涂層成分分析

分別使用EDS能譜分析儀和X射線衍射儀對腐蝕前后涂層成分進行分析。

1.3.4結合強度測試

通過疲勞試驗機測試涂層結合強度。結合強度表達式為[8]:

σ=P/S

(1)

式中:σ為涂層結合強度,MPa;P為涂層斷裂時最大拉力,N;S為涂層有效結合面積,mm2。

1.3.5電化學測試

通過電化學工作站進行電化學試驗,電解質溶液為氯化鈉。

1.3.6鹽霧測試

參照國標 GB 6458—1986通過HS-101B型鹽霧試驗機進行鹽霧試驗[9-10]。試驗溶液為氫氧化鈉,其質量分數和pH值分別為5%和7,試驗溫度為35 ℃。

1.3.7折算系數

折算系數表達式為[11]:

α=Iw/Is

(2)

式中:α為折算系數,%;Iw、Is分別為水介質、涂層自腐蝕電流,μA。

2 結果與討論

2.1 元素含量的測定

通過對噴涂后涂層化學成分進行檢測,進而表征材料的致密性,結果如表1所示。

表1 涂層元素含量測試結果

由表1可知,受基材與噴涂方式的影響,在涂層中除了可檢測到鋁元素和鋅元素外,還可檢測到鐵元素和氧元素。對比2種涂層的元素變化可發現,Zn-50Al較Zn-15Al涂層鐵元素含量少,氧元素多。這說明在涂層表面生成了更多的氧化膜,增加了涂層的致密性,增強了涂層防腐性能。

2.2 孔隙率測試結果

通過涂層的孔隙率大小表征涂層的密實程度,進而對其耐腐蝕性能進行評斷[12]。表2為孔隙率測試結果。

表2 孔隙率測試結果

由表2可知,制備的合金涂層均具備較好的孔隙率。這可能與本試驗采用的工藝有關。Zn-50Al孔隙率最低為10%。這說明Zn-50Al涂層具備更致密的結構,擁有更強的耐腐蝕能力。

2.3 結合強度的測試

表3為涂層與基材結合強度測試結果。

表3 結合強度測試結果

由表3可知,Zn-50Al與基材的結合強度明顯高于Zn-15Al涂層,其結合強度約為5.8 MPa,表現出較好的結合力。這個變化說明Zn-50Al與基材結合的更為緊密,在受外界作用時,擁有更強的耐力,表明Zn-50Al具備更長的使用壽命。

2.4 鹽霧腐蝕結果

對鹽霧腐蝕后材料形貌進行表征,具體如圖1所示。

(a)Zn-15Al

由圖1(a)可知,腐蝕時間為10 d時,Zn-15Al 涂層表面有少量的腐蝕物產生,腐蝕時間延長,腐蝕物開始慢慢的鋪滿涂層表面,涂層表面顏色開始轉變為紅色,涂層狀態也開始變得凹凸不平。70 d時,涂層失去了防腐效果。由圖1(b)可知,Zn-50Al涂層經過10 d的鹽霧腐蝕后,涂層狀態較為完整,肉眼看不到明顯的腐蝕物出現,僅能看到一些未清除干凈的白色鹽粒。當腐蝕時間延長至40 d時,涂層表面開始出現一些腐蝕產物,但腐蝕情況較為輕微,沒有明顯繡紅色腐蝕產物出現,仍具備一定的防腐效果。當腐蝕時間延長至70 d時,涂層表面開始出現腐蝕產物,部分表面被銹紅色腐蝕產物覆蓋,也有一些細微裂紋出現,整體性出現一些影響,但仍舊具備一定的保護作用。

3 氯化鈉含量與水介質折算關系

3.1 自腐蝕電流

圖2和表4分別為極化曲線和自腐蝕電流密度結果。

(a)Zn-15Al

表4 自腐蝕電流密度

由圖2可知,隨鋅鋁合金涂層中,鋁元素含量的增加,自腐蝕電位正向移動,這說明 Zn-50Al合金涂層不容易溶于電解質中,即具備更好的耐腐蝕能力。同時,自腐蝕電位隨電解質溶液質量分數的增加而負移。這因為電解質溶液質量分數越高,溶液內含有的氯離子含量也越高,也更容易破壞涂層表面氧化膜[15-18]。

由表4可知,Zn-50Al涂層在電解質中的自腐蝕電流明顯低于Zn-15Al 合金涂層,這說明Zn-50Al 涂層耐腐蝕性能良好。

3.2 折算系數

表5為折算系數測試結果。

表5 折算系數

由表5可知,Zn-50Al的折算系數明顯高于Zn-15Al合金涂層,這說明氯化鈉溶液對Zn-50Al腐蝕加速影響較Zn-15Al 合金涂層小[19-20]。同時,折算系數隨電解質質量分數的增加而降低。也就是說,在鋼構件的日常使用和維護中,應避免鹽霧大量沉積,避免影響鋼構件使用壽命。

4 結語

(1)熱噴工藝制備出的合金涂層表面光滑平整,無明顯缺陷。在電子顯微鏡下,2種涂層有細小孔隙和分層現象出現。但Zn-50Al涂層顏色更鮮亮,結構更為致密,與基材結合的更緊密;

(2)未經過腐蝕的Zn-50Al涂層表面含有更多的氧元素,證明在Zn-50Al涂層表面生成了更多的氧化物,形成致密氧化膜。孔隙率約為10%,結合強度約為5.8 MPa;

(3)經過鹽霧腐蝕后,合金涂層開始出現變化,Zn-15Al涂層從10 d就開始腐蝕。在70 d時,涂層基本沒有任何防腐作用。Zn-50Al涂層腐蝕10 d后,涂層狀態較為完整,沒有明顯腐蝕物。當腐蝕時間為70 d時,涂層雖然受到了影響,但仍舊具備一定的保護作用;

(4)對腐蝕產物的元素進行分析,Zn-15Al涂層為層狀結構和顆粒狀結構的腐蝕產物元素不同,證明Zn-15Al涂層具備不均勻性。而Zn-50Al涂層均勻性較高,整體表現出較好的屏蔽性能;

(5) Zn-50Al涂層氧化產物為難溶的氫氧化鋁,能有效隔絕鹽霧的侵蝕,表現出良好的耐腐蝕性能;

(6)電化學測試結果表明,Zn-50Al合金涂層較Zn-15Al涂層更難溶于電解質中,耐腐蝕性能良好;

(7)Zn-50Al的折算系數明顯低于Zn-15Al,電解質溶液對Zn-50Al腐蝕加速影響低于Zn-15Al,表現出良好的防腐效果。