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钢铁材料陶瓷涂层的有效制备方法

用于海洋工作的钢铁材料,面临十分严重的海水腐蚀的威胁,并因此造成巨大的经济损失和安全隐患。为了提高其耐腐蚀性能,制备合适的表面涂层进行防护非常重要,其制备方法有电镀、有机涂层、热喷涂等,其中高速电弧喷涂涂层具有重要价值,但由于其孔隙率高而限制了它在耐腐蚀方面的应用。为降低高速电弧喷涂涂层的孔隙率,可以采取涂层的封闭处理。封闭处理提高了涂层的耐腐蚀性能,且封闭剂中加入纳米材料或经纳米改性后可进一步提高封闭性能。

河海大学为提高海洋设备的耐海水腐蚀性能,采用高速电弧喷涂技术在钢材基体上制备陶瓷涂层,并采用有机硅树脂做封闭处理,取得了很好的效果,使材料的耐腐蚀性能得到大幅提高。试验以Q235 钢为基体材料,丝材粉芯为Fe 基合金及碳化铬陶瓷等粉末。对Q235 钢基体进行喷砂除油,固定在工作架上进行喷涂,电弧喷涂工艺参数为: 电压35 V,电流200 A,压力0.65 MPa,喷涂距离200 mm。采用有机硅树脂进行封闭处理,部分辅以6% 纳米氧化铝,将有机硅透明树脂涂刷至涂层表面,涂刷3 ~ 5 次,以使有机硅充分渗入涂层,然后室温干燥,固化24 小时以使有机硅树脂与基体结合稳定。

检测表明,涂层呈现明显的层状堆砌结构,层与层之间结合较致密,但伴有部分孔隙,采用灰度法测量涂层的孔隙率为6.8%。在封闭处理之后封闭剂固化在涂层低洼处,这大大降低了涂层孔隙缺陷对其性能的影响。

涂层硬度较高且分布均匀,平均硬度约1040 HV0.1,远高于基体的硬度( 170 HV0.1) 。结合强度测试显示所有试样均为胶断,表明涂层结合强度大于计算值48 MPa,涂层与基体结合良好。

电化学测试表明,未经封闭处理的原始涂层开路电位先稍微下降,然后上升,最后稳定在-0.62 V;而封闭处理后涂层开路电位一直比较稳定,在-0.42 V 左右。由此可知,封闭处理降低了涂层对腐蚀介质的敏感度。封闭处理后涂层的腐蚀电位高于原始涂层,所以其腐蚀倾向低于原始涂层。有机硅封闭处理后涂层的腐蚀电流密度比原始涂层小一个数量级。封闭处理之后的涂层电阻值较大,电容值较小,拥有更好的绝缘性。这些实验结果表明,有机硅封闭处理后涂层的耐腐蚀性能获得了大幅度提高。

Q-fog CRH盐雾腐蚀试验箱

Q-Fog CRH盐雾试验箱

用电弧喷涂技术在钢铁材料表面制备的陶瓷涂层具有较高的耐腐蚀性能,但存在的孔隙成了溶液以及氯离子侵入的便捷通道,加速了基体的腐蚀。有机硅树脂具有表面能低、憎水绝缘、经过固化后粘结强度高等特点,涂层经封闭处理之后,有机硅树脂填充了孔隙,阻挡了腐蚀介质的进入。并且,有机硅分子结构中活性基团,具有反应性,可以与基体材料牢牢地结合在一起,形成了一层非极性的有机基团向外的憎水膜,这有助于阻止腐蚀介质的渗入,提高材料的耐蚀性。