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【簡(jiǎn)介】
杜海清，吳玉萍，洪 晟，郭文敏，何智華
（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098）
摘要：采用電弧噴涂工藝在基體Q235鋼上噴涂了厚度約為150μm的7Cr13涂層，并采用3種封孔工藝對(duì)涂層進(jìn)行封孔處理，封孔劑采用添加不同含量的納米Al2O3異丙醇溶液的有機(jī)硅透明樹(shù)脂。用乙酸鹽霧腐蝕、全浸泡腐蝕以及電化學(xué)腐蝕檢測(cè)了7Cr13涂層與對(duì)比材料鍍鉻層的耐腐蝕性能。結(jié)合掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕前后試樣的表面形貌進(jìn)行了觀察和對(duì)比。結(jié)果表明，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，涂層封孔后孔隙率明顯降低，涂層結(jié)合強(qiáng)度為47MPa,遠(yuǎn)高于鍍鉻層，封孔涂層的耐腐蝕性明顯優(yōu)于未封孔涂層，納米封孔7Cr13涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于鍍鉻層。
關(guān)鍵詞：電弧噴涂； 7Cr13;封孔；納米Al2O3;耐蝕性能
中圖分類號(hào)：TG174·442
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：0254-6051（2011）02-0056-04
液壓支架廣泛應(yīng)用于我國(guó)大中型煤礦企業(yè)以及海上鉆井平臺(tái)中。在使用過(guò)程中，由于環(huán)境惡劣、工作條件差、濕度大，使用環(huán)境中大部分含有酸性腐蝕介質(zhì)，致使液壓支架由于腐蝕、磕碰、磨損等原因造成的報(bào)廢失效現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，其中最常見(jiàn)的是液壓支架油缸活塞的腐蝕報(bào)廢失效[1]。所以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中要求液壓支架油缸活塞具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。目前常用的防腐技術(shù)主要有熱噴涂、電鍍以及陰極保護(hù)法[2]。電弧噴涂技術(shù)是最常見(jiàn)的熱噴涂工藝，電弧噴涂涂層不僅質(zhì)量好，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，而且電弧噴涂生產(chǎn)效率高，設(shè)備投資少、成本低，操作簡(jiǎn)單、安全性好，易于使用和維護(hù)，是一種很有效的表面防護(hù)與修復(fù)技術(shù)。鍍鉻是一種傳統(tǒng)的電鍍技術(shù)，鍍鉻層外觀精美、硬度高，而且摩擦因數(shù)較低，具有良好的耐磨性。但電鍍工藝會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染，生產(chǎn)排放的氣、液、固體廢物都嚴(yán)重污染環(huán)境，尤其是產(chǎn)生的Cr6+是致癌物質(zhì)，嚴(yán)重威脅著人類的健康，電鍍鉻工藝已逐步被國(guó)家相關(guān)部門(mén)嚴(yán)格控制生產(chǎn)[3-4]。本文研究了可用于修復(fù)液壓支架油缸活塞的納米封孔7Cr13電弧噴涂涂層的耐腐蝕性能，并與鍍鉻層進(jìn)行了對(duì)比。
1 試驗(yàn)材料與方法
1·1 涂層制備與封孔
采用電弧噴涂工藝在基體Q235鋼板上制備7Cr13涂層，基體尺寸為25 mm×25 mm×5 mm,絲材直徑3 mm,絲材外皮為Q235鋼。噴涂設(shè)備采用ZPG-400A型電弧噴涂設(shè)備，試樣噴涂前經(jīng)噴砂和除油處理，噴涂工藝參數(shù)：工作電壓38 V,工作電流120 A,噴槍電壓10 V,空氣壓力0·8MPa,噴涂距離300 mm。采用添加納米Al2O3異丙醇溶液的有機(jī)硅透明樹(shù)脂對(duì)涂層進(jìn)行封孔。將納米Al2O3粉體（8~15 nm）分散在有機(jī)溶劑異丙醇中，形成高度分散化、均勻化和穩(wěn)定化的納米Al2O3醇分散漿。涂層的3種封孔劑組合分別為有機(jī)硅樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂+3%納米Al2O3和有機(jī)硅樹(shù)脂+6%納米Al2O3,依據(jù)工藝按體積比先將封孔劑在燒杯中混合，通過(guò)高速攪拌機(jī)攪拌30min,使封孔劑充分混合均勻，然后在試樣表面均勻的涂抹封孔劑，在空氣中放置20 min后，放入115℃的DGG-9070B烘箱中保持15 min,冷卻固化后將涂層表面多余的封孔劑用砂紙打磨干凈，重復(fù)上述步驟操作一次，得到封孔試樣。
1·2 腐蝕試驗(yàn)
涂層經(jīng)過(guò)3種封孔工藝封孔后得到3種不同的涂層，再加上原始未封孔試樣與電鍍鉻對(duì)比試樣，分別進(jìn)行乙酸鹽霧腐蝕試驗(yàn)、全浸泡腐蝕試驗(yàn)及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。
1）乙酸鹽霧（AASS）腐蝕試驗(yàn)的腐蝕劑為濃度50 g/L的NaCl溶液，加入適量的乙酸，調(diào)整收集溶液pH值變?yōu)?·1~3·3,試驗(yàn)設(shè)備采用YWX-150鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱[5],乙酸鹽霧腐蝕試驗(yàn)參數(shù)：飽和器溫度（35±2）℃，鹽霧沉降率1~2 mL·cm-2·h-1,連續(xù)噴霧，相對(duì)濕度（94±4）%,氣源8 kg/cm2,進(jìn)氣壓力0·2~0·4MPa,噴霧壓力0·07~0·15MPa。
2）全浸泡腐蝕試驗(yàn)每組取3個(gè)平行試樣。腐蝕液為HCl溶液，濃度為10%,試驗(yàn)溫度為（35±2）℃。試驗(yàn)前用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)非涂層表面進(jìn)行遮蔽處理。試驗(yàn)時(shí)每隔2 h取出試樣，用不高于40℃的蒸餾水輕輕清洗以除去試樣表面殘留的腐蝕溶液，放置于70℃的烘箱中保持2 h,再用精度為10-4g的電子天平進(jìn)行稱量，計(jì)算出試樣質(zhì)量變化。
3）電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)的腐蝕液為3·5% NaCl溶液，試樣在溶液中浸泡30 min,由PARSTAT 2273Advanced Electrochemical System型電化學(xué)儀器繪制tafel極化曲線，參比電極采用232型飽和甘汞電極。
1·3 涂層形貌觀察與性能測(cè)試
采用OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡（OM ）、HITACHIS-3400N掃描電鏡（SEM）對(duì)涂層腐蝕前后的形貌進(jìn)行觀察與分析。采用OLYMPUS圖像分析軟件測(cè)量涂層孔隙率。涂層的結(jié)合強(qiáng)度按照ASTMC633—1979《熱噴涂層粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》在REGER微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2·1 涂層形貌
圖1為7Cr13電弧噴涂層的組織。由圖1看出，涂層呈典型的層狀堆積結(jié)構(gòu)，層與層之間有較明顯的分界線，經(jīng)測(cè)定涂層孔隙率約13%。在電弧噴涂過(guò)程中，噴涂線材熔融后經(jīng)噴槍氣流加速噴射到基體表面，熔滴與基體碰撞發(fā)生散射變形[6],最后堆積成典型的層狀結(jié)構(gòu)，由于噴射速度尚未達(dá)到超音速，所以涂層孔隙率較大，采用有機(jī)硅及納米Al2O3異丙醇溶液封孔后，可明顯降低原始涂層孔隙率，經(jīng)Olympus圖像分析軟件測(cè)定涂層封孔后孔隙率約3%。涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為47MPa,遠(yuǎn)大于鍍鉻層，鍍鉻層與基體結(jié)合強(qiáng)度約10MPa[7-8]。
2·2 涂層的耐腐蝕性
圖2（a）為乙酸鹽霧腐蝕單位面積質(zhì)量損失與時(shí)間的關(guān)系曲線，圖2 （b）為全浸泡腐蝕單位面積質(zhì)量損失與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖2（a）可以看出，試驗(yàn)初期，所有試樣均有不同程度的質(zhì)量增加，由于腐蝕氧化反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物未與涂層脫落，導(dǎo)致質(zhì)量增加，試驗(yàn)進(jìn)行到第5天，試樣的質(zhì)量才開(kāi)始小于原始試樣。其中未封孔試樣的質(zhì)量增加與質(zhì)量損失最明顯，有機(jī)硅加6%納米Al2O3封孔試樣質(zhì)量損失最小，鍍鉻試樣次之，隨后是有機(jī)硅封孔試樣與有機(jī)硅加3%納米Al2O3封孔試樣。由此可見(jiàn)，未封孔試樣耐乙酸鹽霧腐蝕性能最差，封孔后耐蝕性能提高，其中7Cr13電弧噴涂涂層經(jīng)過(guò)封孔工藝3,即有機(jī)硅加6%納米Al2O3封孔后耐鹽霧腐蝕性能提高明顯，在酸性工作條件下可部分取代鍍鉻層。從圖2（b）中可以看出封孔試樣質(zhì)量損失小于未封孔試樣與鍍鉻試樣，未封孔試樣質(zhì)量損失曲線與鍍鉻試樣基本重合，有機(jī)硅加6%納米Al2O3封孔試樣質(zhì)量損失最少，略好于有機(jī)硅封孔試樣，有機(jī)硅加3%納米Al2O3封孔試樣質(zhì)量損失明顯少于鍍鉻試樣及未封孔試樣。
圖3是試樣電化學(xué)tafel極化曲線關(guān)系圖。由圖3可知，有機(jī)硅加6%納米Al2O3封孔試樣、有機(jī)硅加3%納米Al2O3封孔試樣以及未封孔試樣的腐蝕電位都高于鍍鉻試樣，從腐蝕電位角度對(duì)比來(lái)講，納米封孔7Cr13電弧噴涂涂層的電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于鍍鉻層。
2·3 腐蝕機(jī)理
圖4為腐蝕后的涂層形貌。原始涂層孔隙率較大，腐蝕一般從孔洞開(kāi)始[9],發(fā)生孔蝕并逐漸沿著晶界邊緣向內(nèi)部腐蝕，隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生較大的腐蝕縫隙，涂層表面發(fā)生龜裂及脫落，如圖4（a）所示；而涂層封孔后孔隙率變得很小，原先的孔洞及縫隙被有機(jī)硅及納米Al2O3填充，納米微粒與涂層結(jié)合較致密，且納米Al2O3微粒本身的化學(xué)活性很低，可以耐酸、堿、鹽的腐蝕[10],在同樣的腐蝕條件下，封孔劑阻止了腐蝕液向內(nèi)部侵蝕的速度，有效阻止了由于孔蝕產(chǎn)生的孔洞貫通，減少了涂層發(fā)生縫隙腐蝕的概率，腐蝕過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生很明顯的腐蝕裂紋，如圖4（b）所示，這與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果相似。
3 結(jié)論
1） 7Cr13電弧噴涂涂層具有典型的層狀堆積結(jié)構(gòu)，涂層孔隙率約13%,采用納米Al2O3異丙醇溶液及有機(jī)硅封孔后，涂層孔隙率明顯降低，約為3%。涂層平均結(jié)合強(qiáng)度47MPa,遠(yuǎn)高于鍍鉻層。
2）封孔7Cr13電弧噴涂涂層耐腐蝕性能明顯優(yōu)于未封孔涂層，乙酸鹽霧腐蝕與全浸泡腐蝕試驗(yàn)中封孔試樣質(zhì)量損失都小于未封孔試樣。納米封孔涂層電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于純有機(jī)硅封孔涂層及鍍鉻層。
3）采用有機(jī)硅透明樹(shù)脂添加6%納米Al2O3異丙醇溶液的納米封孔7Cr13電弧噴涂涂層耐腐蝕性能優(yōu)于鍍鉻層。納米Al2O3顆粒與涂層組織結(jié)合致密，具有良好的耐腐蝕性能，有效阻止了腐蝕液向涂層內(nèi)部的侵蝕。
參考文獻(xiàn)：略
