曹 帥，劉 偉，巫紹平

(1.三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100;2.株洲創(chuàng)春科技實業(yè)有限責任公司，湖南 株洲 412004)

等離子噴涂NiCr涂層的耐強酸腐蝕性能研究

曹 帥1，劉 偉2，巫紹平1

(1.三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100;2.株洲創(chuàng)春科技實業(yè)有限責任公司，湖南 株洲 412004)

采用等離子噴涂技術在Q235基體表面制備NiCr涂層，并用E-44型環(huán)氧樹脂與低分子650#聚酰胺1∶1配比進行封孔，通過在三種典型強酸環(huán)境中的全浸泡試驗，對涂層的耐蝕性進行了評價.結果表明，在65%的硝酸和98%的硫酸溶液中浸泡500 h后，NiCr涂層表面平整，采用SEM觀察微觀形貌，涂層較致密，有少量的腐蝕坑，腐蝕速率為0.05～0.5 mm/a，處于第二等級，耐蝕性良好;NiCr涂層在36%的鹽酸溶液中浸泡500 h后，由于活性離子Cl－的影響，部分涂層呈層片狀脫落，采用SEM觀察微觀形貌，腐蝕坑數(shù)目比較多，腐蝕速率為1.21 mm/a，處于第三等級，耐蝕性較差.

等離子噴涂;涂層;耐酸腐蝕性能

Abstract:The technology of plasma spray was used to make Ni and Cr coat on the surface of Q235，and E-44 epoxy and low-molecule 650 Polyamide with the 1∶1 proportion was used to seal the hole.The acid-resistant erode capability of the coat was evaluated throughout three kinds strong acid dip in test.The results show that Ni and Cr coat still has its smooth surface after dip in 500 hours in 65%nitric acid and 98%vitriol acid liquid.The density of coat is very good，but there are a small quality of erode pit under SEM microscope.And the rate of erode is 0.05～0.5 mm/a，and belongs to second level.After dip in 500 hours in 36%hydrochloric acid，the proportion coat of the surface of the part breaks off because of influence of active hydronium Cl－under SEM microscope，and belongs to third level.The acid-resistant erode capability is not good.

Key words:plasma spray;coat;acid-resistant erode capability

金屬材料的腐蝕問題是當今材料科學與工程領域不可忽略的問題.在眾多的防腐蝕方法中，熱噴涂技術是最有競爭力的方法之一，是材料表面強化與保護的新技術，在表面改性技術中占有重要地位［1］.

等離子噴涂技術是熱噴涂的一個重要分支，其熱源為非轉(zhuǎn)移型等離子弧，噴涂材料為粉末材料，目前已成為熱噴涂技術中最重要的一項工藝方法［2］.本課題采用等離子噴涂技術，在低碳鋼Q235表面制備NiCr涂層，對其在各種酸性環(huán)境中的抗腐蝕性能進行研究.

1 試驗

1.1 涂層制備

試驗選用的噴涂粉末為Ni/Cr 80/20合金粉末，其中含Ni80%、Cr20%，粉末顆粒度為－106+45 μm(－140+325 mesh).基體材料為低碳鋼Q235，規(guī)格為Φ 40 mm×200 mm.

本試驗采用ZB－80型等離子噴涂系統(tǒng).工件夾持系統(tǒng)為自行設計:在普通車床上安裝噴槍機械支座，固定機裝式噴槍完成軸類零件的噴涂工藝.噴涂操作前，將試件進行凈化和粗化處理，以除去表面的油污和銹蝕，增加基體的表面粗糙度，處理完畢后注意保持表面的清潔.選擇合理的工藝參數(shù)，用等離子火焰對試件基體進行預熱，然后送進粉末進行噴涂.本試驗選用的噴涂工藝參數(shù)如表1所示.

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)

1.2 封孔處理

熱噴涂涂層，一般經(jīng)封孔之后才能使用［3］.本試驗采用環(huán)氧樹脂封孔劑對涂層進行封孔處理.封孔前對零件的涂層表面進行磷化處理，并保持噴涂涂層干燥、清潔，以免油污和水等浸入涂層孔隙影響封孔效果.以E-44型環(huán)氧樹脂為基料、低分子650#聚酰胺為固化劑、丙酮為稀釋劑，按1∶1∶1的比例混合，攪拌均勻至封孔劑流動性較好后對涂層進行封孔處理.封孔時采用刷涂方式進行封孔，試件表面刷涂均勻、等厚，應盡量保證孔隙被浸透.刷涂均勻后將試件放置于干燥清潔處固化.

1.3 腐蝕試驗

涂層的耐腐蝕性能是用腐蝕速率來評定，腐蝕速率是指單位時間內(nèi)的腐蝕深度，一般為mm/a，或單位時間單位面積上涂層的失重量，一般為g/(m2·h)［4］.本試驗采用浸泡腐蝕試驗的方法檢測涂層的耐腐蝕性能.浸泡腐蝕試驗也稱全浸試驗，主要是根據(jù)涂層及其制品的服役環(huán)境而確定的一種試驗方法.將試樣的端部密封，防止腐蝕介質(zhì)直接從內(nèi)部未噴涂部位腐蝕基體，涂層部分暴露在腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過一定時間后對比試樣的形態(tài)，觀察比較得出結論.試驗時采用三種強酸溶液作為腐蝕介質(zhì):硝酸、硫酸、鹽酸.具體試驗參數(shù)見表2.

表2 腐蝕試驗參數(shù)

2 結果與討論

涂層腐蝕試驗結果采用表面觀察法和重量法進行評定［5］.

2.1 表面檢查

2.1.1 表面宏觀觀察

試樣在腐蝕介質(zhì)中浸泡500 h后，取出試樣，清理試樣兩端，宏觀觀察試樣在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕形貌.如圖1所示.

圖1 腐蝕試驗樣品表面比較

觀察并分析圖1中各試樣的宏觀腐蝕形貌，圖1(b)為試樣在硝酸溶液中的腐蝕形貌.試樣放入溶液中，與溶液直接接觸部位的封孔劑部分被溶解，溶液略呈棕色，20 d后，有小部分涂層被腐蝕，表面粗糙度增加，對光觀察，表面略有小坑.但整體形貌良好，涂層表面平整，基本沒有腐蝕情況.在硝酸中Cr、Ni都是極易鈍化的金屬，涂層具有良好的耐腐蝕性.一般來說鈍化后的金屬，在改變外界鈍化條件后，仍能在相當程度上保持鈍化狀態(tài).

圖1(c)為試樣在硫酸溶液中的腐蝕形貌.將試樣放入腐蝕溶液中后，與溶液接觸的封孔劑逐漸被溶解，溶液顏色呈淺棕色，10 d后溶液呈深棕色，并有少量團絮狀物漂浮在溶液表面.20 d后，溶液無其他明顯變化，表觀檢查在硫酸中涂層沒發(fā)生任何腐蝕現(xiàn)象，涂層表面平整.濃硫酸是以分子結構存在的，內(nèi)部沒有游離的氫離子，且具有強氧化性，鎳鉻合金濃硫酸中的氧化是一個變化的過程，首先是過渡氧化階段，在表面生成大量的NiO和Cr2O3的混合層，隨后氧化速度逐漸下降，鉻發(fā)生均勻氧化，生成氧化鉻層.鎳鉻涂層表面也生成了Cr2O3和NiCr2O4尖晶石，抑制了復合硫酸鹽或硫化物的生成，使其抗硫酸腐蝕的性能得到提高［6］.

圖1(d)為試樣在鹽酸溶液中的腐蝕形貌.浸泡鎳鉻涂層的鹽酸溶液5 d時呈淡棕色，封孔劑被少量溶解，9 d時試樣表面出現(xiàn)細小裂紋，溶液顏色變深，略呈黑色，20 d后涂層裂紋擴展，部分涂層呈小層片狀脫落.由于封孔劑耐鹽酸腐蝕性能不好，腐蝕介質(zhì)從孔隙浸入，腐蝕基體，致使涂層脫落，所以耐蝕涂層應嚴格控制孔隙率，做好涂層后處理.鉻的耐腐蝕機理是其形成穩(wěn)定的氧化膜Cr2O3，但三價鉻離子能與鹽酸發(fā)生反應，因此該涂層耐鹽酸的腐蝕性較差.

2.1.2 掃描電鏡微觀分析

采用掃描電鏡對涂層的腐蝕形貌進行了分析，如圖2所示.

圖2 腐蝕試樣電鏡掃描圖

NiCr涂層在硝酸和硫酸中腐蝕后較致密，有少量的腐蝕坑;在鹽酸中腐蝕后，腐蝕坑數(shù)目比較多，有的穿透涂層，直接腐蝕基體，因為涂層與基體之間呈機械結含狀，而涂層中顆粒與顆粒之間的結合并不牢固，所以經(jīng)過腐蝕作用后，涂層中的粉末顆粒會發(fā)生松動、脫落，使腐蝕加劇.腐蝕時間越長，這種顆粒脫落越多，顆粒脫落的痕跡也十分明顯.此外，本試驗所選用腐蝕介質(zhì)均為常用的有代表性的.因此，NiCr涂層耐鹽酸腐蝕性較差，在大部分強酸中具有良好的耐蝕性.在防鹽酸腐蝕方面，可以選用其他耐腐蝕涂層進行專門試驗研究.

2.2 孔隙率分析

為了研究在不同的腐蝕液中，試樣的耐腐蝕性能，研究人員應用電子天平分別測定了不同腐蝕狀態(tài)下實驗式樣的質(zhì)量，依據(jù)孔隙率公式

式中:m1為腐蝕前試樣的質(zhì)量;m2為腐蝕后試樣的質(zhì)量.實驗結果見表3.

表3 試驗樣品質(zhì)量

2.3 重量法評價

試樣浸泡一定的時間后用重量法來分析其腐蝕性.金屬的腐蝕速度常采用腐蝕重量和深度表示.其中，失重法是一種簡單而又直接的方法.不要求腐蝕產(chǎn)物附著在試樣表面，不考慮腐蝕產(chǎn)物的可溶性，因此試驗后，必須從試樣表面清除全部的腐蝕產(chǎn)物.其計算公式為

式中:R為腐蝕速率(mm/a);W為試樣原始重量(g);Wt為腐蝕后去掉腐蝕產(chǎn)物的重量(g);S為試樣的表面積(m2);T為試驗時間(h);D為涂層材料密度(g/cm3).

試樣從腐蝕溶液中取出后，用酒精清洗，然后用熱吹風烘干，在天平上稱量試樣質(zhì)量.根據(jù)式(2)計算涂層在不同腐蝕介質(zhì)中的平均腐蝕速率分別為硝酸0.09 mm/a，硫酸0.32 mm/a，鹽酸1.21 mm/a.評價金屬涂層均勻腐蝕分為四個等級［7］，具體數(shù)值見表4.

結果表明，在硝酸和硫酸中的腐蝕速率處于第二等級，耐蝕性良好;由于鹽酸中的氯離子腐蝕，涂層的耐鹽酸腐蝕性較差.

表4 金屬涂層均勻腐蝕的四個等級

3 結論

采用等離子噴涂技術制備的鎳鉻合金涂層，可以作為防腐蝕涂層，但涂層應嚴格控制孔隙率，涂層后處理應選用合適的封孔劑.本試驗選用的環(huán)氧樹脂型封孔劑，具有很高的滲透能力及極強的耐酸腐蝕性能，對熱噴涂涂層的孔隙具有非常有效的封孔作用，對提高抗蝕涂層的耐腐蝕性能和涂層壽命都起到相當大的作用.

［1］YLMAZ S.An evaluation of plasma-sprayed coatings based on Al2O3and Al2O3-13%TiO2with bond coat on pure titanium substrate［J］.Ceramics International，2009(35):2017-2022.

［2］YANG H W，LUAN W L.The latest progress of.plasma spraying［J］.Surface Technology，2005，6(34):7-10.

［3］ZHANG J J，WANG Z H，PING H L.The sealing treatment of chromium oxide coatings by plasma spraying［J］.Corrosion and Protection，2008，1(15):31-35.

［4］WU Z J.The technology and application of thermal spray［M］.Beijing:Machinery Industry Press.2006:65-72.

［5］YHE D，DONG N，JIANG J M.Thermal spray:global coating solutions［M］.Ohio:Published by ASM International，Materials Park，2007.

［6］CERMAN A.MASKOVA A.SKARLEK.Comparison of mechanical properties of hard and wear resistant films on forms for polymer process［J］.Materials Science.2006，5(26):55-59.

［7］LI Z S，YANG M A.Modern surface engineering technology［M］.Machinery Industry Press，2007:29-33.

(責任編輯:李 華)

Study on Acid-resistant Erode Capability for Plasma Spray Ni and Cr Coat

CAO Shuai1，LIU Wei2，WU Shao-ping1
(1.SANYI Heavy Industry Co.Ltd.Changsha 410100，China;2.Zhuzhou Chuangchun Science and Technology Industry Limited Liability Co.Zhuzhou 412004，China)

TD37

A

1008-5475(2012)02-0044-04

2012-03-02;

2012-04-11

曹帥(1986—)，男，湖北黃岡人，助理工程師，碩士，主要從事材料成型與控制研究.