三种电弧喷涂涂层在大庆地区土壤中的腐蚀性
邢士波，肖 葵，李 丽等
腐蚀与防护
摘要：采用电弧喷涂方法在球墨铸铁管表面上分别制备纯Ｚｎ涂层、Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层，通过对三种涂层在大庆土壤中进行埋样试验，研究了三种涂层在大庆土壤环境下的耐腐蚀性能，观察了试样表面的腐蚀产物的宏观和微观形貌，并通过电子能谱（ＥＤＳ）和Ｘ射线衍射试验（ＸＲＤ）对腐蚀产物进行了分析。结果表明，在大庆土壤环境下，三种涂层的耐腐蚀性能按Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层、Ｚｎ涂层的顺序依次减小。
关键词：球墨铸铁；电弧喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/dianhupentu/20120831/379.html；土壤腐蚀
引 言
球墨铸铁管由于具有优良的力学性能及抗震性，目前被广泛应用于供水、排水、输气等工程［１］。球墨铸铁的力学性能大大高于灰铸铁，它的某些性能接近钢，如弯曲疲劳强度、抗拉强度等。同时还保留了灰铸铁的一些优点，因其自身石墨球的润滑作用，可以经常代替钢应用在较高要求的场合［２，３］。
球墨铸铁管的表面防腐蚀处理直接影响着它的使用寿命，球墨铸铁管的防腐蚀工作也得到了关注。锌作为一种典型的阴极保护材料，已广泛应用铸铁管的防腐蚀［４－６］。研究表明，电弧喷锌、铝涂层可以对金属基体起到保护作用，尤其是电弧喷涂锌铝合金涂层具有比纯锌涂层更为优异的电化学保护效果，兼有锌涂层的电化学保护效果好和铝涂层腐蚀速率低的优点［７，８］。但是锌铝合金丝在拉拔加工中存在一些困难，尤其是当铝的质量分数超过１５％时合金丝的脆性较大容易造成加工困难，采用电弧喷涂粉芯锌铝合金丝制备锌铝伪合金涂层可以简化工艺，并且易于改变合金成分［９］。本工作对在球墨铸铁管电弧喷涂制备纯锌涂层、锌铝涂层和锌铝伪合金涂层在大庆土壤中埋样进行耐腐蚀性能比较，为球墨铸铁管采取有效的防护措施提供参考依据。
１ 试 验
１．１ 试样制备
１ｃｍ×１ｃｍ×１ｃｍ的立方体球墨铸铁试样，涂层采用２４目刚玉砂进行喷砂处理，压力为５０～６０Ｎ，随后进行电弧喷涂，分别制备纯Ｚｎ涂层、Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层。纯Ｚｎ涂层采用喷涂材料为３ｍｍ的Ｚｎ丝材制备涂层厚度为１２０μｍ左右的纯Ｚｎ涂层；Ｚｎ－Ａｌ合金涂层电弧喷涂工艺采用Ｚｎ１５％－Ａｌ８５％实芯３ｍｍ合金丝材进行喷涂，制备涂层厚度为１２０μｍ左右的Ｚｎ－Ａｌ合金涂层；Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层电弧喷涂工艺采用喷涂材料为３ｍｍ的Ｚｎ丝材和２ｍｍ的Ａｌ丝材，以Ｚｎ丝和Ａｌ丝作为电弧熔化极，控制送丝速度喷涂制备涂层厚度为１２０μｍ左右的Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层。喷涂工艺参数为：电流１００～１２０Ａ，电压３６Ｖ，喷涂距离１５０ｍｍ，气体压力０．６ ＭＰａ。喷涂后试样五个面用环氧树脂密封，只保留１ｃｍ２的有效面积。电化学试样的制作是在试样背面点焊引出铜导线，用环氧树脂将试样包封在塑料管中。
１．２ 试验方法
用ＥＧ＆Ｇ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ／Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔ Ｍｏｄｅｌ２７３测试试样的动电位极化曲线，采用三电极体系，涂层试样为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极（ＳＣＥ）为参比电极，溶液体积为０．５Ｌ，电化学试验溶液为３．５％ ＮａＣｌ溶液；测试时工作电极在溶液中静止稳定２０ｍｉｎ后以０．６ｍＶ／ｓ的扫描速率进行动电位极化曲线测试。采用ＬＥＯ－１４５０型扫描电镜对埋样表面和截面的形貌、组成等进行观察与分析，刮取腐蚀产物进行Ｘ射线衍射ＸＲＤ物相分析。试验土壤取自大庆材料土壤腐蚀试验站，取样深度约为１ｍ，其具有较高的含水量和含盐量，主要阴离子含量（质量分数）及ｐＨ值如表１所示。试验土壤介质分三个容器盛放，纯Ｚｎ涂层、Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层试样分别埋样于三个容器中室温下放置１２０天后取样。
２ 结果与讨论
２．１ 涂层孔隙率
涂层的孔隙率测试结果如表２所示。可以看出，纯锌比锌铝伪合金涂层的孔隙率要大，锌铝合金涂层的孔隙率最小。涂层孔隙率小意味着涂层致密，对于防腐蚀涂层来说，涂层孔隙率越小，说明涂层耐腐蚀性能越好。
２．２ 表面形貌分析
图１为在球墨铸铁基体表面制备的纯Ｚｎ涂层、Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层的表面形貌。图１（ａ）是电弧喷涂纯Ｚｎ涂层的表面形貌。可以看到电弧喷涂后丝材雾化能均匀地附着在试样表面，形成涂层，微观观察发现喷涂颗粒之间存在一定的空洞。从图１（ｂ）和（ｃ）中可以看出，Ｚｎ－Ａｌ合金涂层、Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层呈现出典型的层状结构特征，组织致密，没有粗大孔隙。就组织致密性来说Ｚｎ－Ａｌ合金涂层更优于Ｚｎ－Ａｌ伪合金涂层。
２．３ 涂层在大庆土壤环境中的腐蚀行为
纯锌涂层样品经１２０天埋样试验后，出现红锈斑点，表面形成致密的片状腐蚀产物层，锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层经１２０天试验后表面均出现了少量白锈，没有发现红色锈点。图２、图３和图４分别为三种涂层样品１２０天试验后的表面形貌与表面能谱（ＥＤＳ）分析结果。从图２（ａ）中可以看出，纯锌涂层表面形成了一层腐蚀产物，且发生了明显的龟裂。ＥＤＳ分析表明纯锌涂层表面腐蚀产物由Ｚｎ、Ｏ、Ｃｌ元素组成（图２（ｂ）），ＸＲＤ分析表明，纯锌涂层腐蚀产物由Ｚｎ５（ＯＨ）８Ｃｌ２Ｈ２Ｏ、ＺｎＣＯ３、ＺｎＯ及Ｚｎ５（ＣＯ３）２（ＯＨ）６组成（图５（ａ））；从图３（ａ）和４（ａ）中可以看出，锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层表面均生成了胞状腐蚀产物。
ＥＤＳ分析表明：锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层表面腐蚀产物均由Ａｌ、Ｚｎ、Ｏ和Ｃｌ元素组成（图３（ｂ）和４（ｂ））。锌铝合金及锌铝伪合金涂层腐蚀产物相同Ｚｎ５（ＯＨ）８Ｃｌ２Ｈ２Ｏ、Ｚｎ０．７１Ａｌ０．２９（ＯＨ）２（ＣＯ３）０．１４５ｘＨ２Ｏ及ＺｎＡｌ２Ｏ４组成（图５（ｂ）、（ｃ））。但纯锌涂层在土壤埋样后腐蚀产物发现含有ＺｎＣＯ３，这与土壤只含有多种的微量的ＮＯ３－、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋、ＨＣＯ３－等阴阳离子有关。相比较而言，锌铝涂层受到腐蚀时，其中的枝晶间富锌相由于腐蚀电位较负，首先受到腐蚀，使其腐蚀特性类似于纯锌涂层，涂层相对于金属基体为阳极，具有电化学防护作用。伴之产生的絮状腐蚀产物被富铝相的网络结构所滞留，填充在枝晶间的网隙处，并逐步在喷涂涂层表面形成一层具有阻挡作用的产物膜，由于喷涂工艺上的不同，锌铝合金涂层原始涂层在组织结构上本身的均匀致密性要比锌铝伪合金涂层好，这样导致腐蚀后的锌铝合金涂层要比锌铝伪合金涂层生成的腐蚀产物更均匀一些，有阻挡作用的腐蚀产物膜更致密，所以锌铝合金涂层能更好地起到抑制腐蚀的作用。
２．４ 电化学极化曲线
图６是三种涂层原始试样未进行埋片试验和大庆土壤１２０天埋样后试样在３．５％ ＮａＣｌ溶液中的极化曲线。从图６（ａ）中可以看出，锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层的自腐蚀电位均负于纯锌涂层。而大庆土壤１２０天埋样后三种涂层试样的极化曲线可以看出（图６（ｂ）），纯锌涂层、锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层自腐蚀电位均出现正移，其中锌铝伪合金涂层自腐蚀电位达到－０．７９Ｖ，锌铝合金涂层自腐蚀电位达到－０．５６Ｖ。试验后三种涂层试样自腐蚀电位大小顺序是锌铝合金涂层、锌铝伪合金涂层、纯锌涂层。从腐蚀试验的结果及试验过程观察推知，纯锌涂层的腐蚀过程大致是涂层埋样一段时间以后，腐蚀介质穿透表面的涂层进人到锌涂层，腐蚀介质中大量的氯离子溶解锌表面的保护膜，并且氯离子与锌反应，形成可溶性盐，松散地堆积在锌表面，致使上面的锌层失去了与底面基体的结合力，而锌涂层将以更快速度腐蚀，促进涂层表面出现微观龟裂。而就锌铝合金涂层来说，富Ｚｎ相和富Ａｌ相交替存在，协同发挥了Ｚｎ的牺牲保护作用和Ａｌ的钝化保护作用，涂层表面的富锌相开始腐蚀，电极上某些电位较低的部分会发生锌的局部溶解，在涂层表面的富铝相骨架周围生成一层Ｚｎ（ＯＨ）２产物膜，该过程腐蚀产物比纯锌涂层腐蚀产物更为致密，对基体起到一定的保护作用，锌铝伪合金涂层的腐蚀机理与上述锌铝合金涂层腐蚀机理一致。由于原始的锌铝合金涂层组织结构本身就较锌铝伪合金更为均匀和致密，这也与喷涂工艺有关，锌铝合金涂层中富Ｚｎ相和富Ａｌ相交替混合均匀性较好，而锌铝伪合金涂层采用Ｚｎ丝和Ａｌ丝作为电弧熔化极，利用不同的送丝速度喷涂制备，由喷枪喷射的熔融金属在喷射过程中已出现降温，另外喷涂试样温度低，液态金属中的锌和铝急速冷却，锌与铝来不及均匀混合铺展，均匀性相对较差一些。锌铝合金涂层与锌铝伪合金涂层相比较腐蚀产物膜更加均匀致密。这也说明了在大庆地区土壤环境下，就耐腐蚀性能来说，锌铝伪合金涂层和锌铝合金涂层相对于纯锌涂层要好，锌铝伪合金涂层和锌铝合金涂层两者比较，锌铝合金涂层耐蚀性能更好。
３ 结 论
（１）锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层的孔隙率比纯锌涂层空隙率小，三种涂层的孔隙率从大到小排序为纯锌涂层、锌铝伪合金涂层、锌铝合金涂层。
（２）大庆土壤埋样试验１２０天后的涂层腐蚀试验结果表明，锌铝合金涂层和锌铝伪合金涂层在腐蚀后形成较致密的腐蚀产物，自封闭作用较为明显，从而提高了涂层的耐蚀性。试验中三种涂层的耐腐蚀性从强到弱的顺序为：锌铝合金涂层，锌铝伪合金涂层，纯锌涂层。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
