史 魏,楊 陽,高青山

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

鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)的影響,作為海洋建設(shè)材料使用時(shí),易受海水浸泡影響,腐蝕情況嚴(yán)重,造成極大的安全隱患。為解決鋼鐵材料在海水中腐蝕嚴(yán)重的問題,部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究,如以水性防腐涂料為主要研究對(duì)象,探究了水性防腐涂料在海洋鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[1]。制備了一種鋼結(jié)構(gòu)用丙烯酸樹脂涂料,并對(duì)其防腐性能進(jìn)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(duì)象,研究該方法制備的涂層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料的影響,表現(xiàn)出較好的腐蝕效果[3]。基于此,本試驗(yàn)以文獻(xiàn)[4]為參考,對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)合金涂層進(jìn)行優(yōu)化,為海洋設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)格),熠望新材料)。

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

1.2 試驗(yàn)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(duì)噴涂絲材進(jìn)行優(yōu)化,其中,Zn-15Al鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%,鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%～90%;Zn-50Al鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～50%,鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)中的丙酮溶液中進(jìn)行超聲洗滌,洗滌時(shí)間為15 min;

(2)清洗結(jié)束后,通過QK-620S型噴砂機(jī)進(jìn)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(zhì)去除;

(3)在試件表面噴涂涂層,噴射參數(shù)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(cè)試

1.3.1形貌測(cè)定

參照GB/T 9793—1997對(duì)評(píng)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(cè)定

通過灰度法對(duì)材料的孔隙率進(jìn)行測(cè)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(duì)腐蝕前后涂層成分進(jìn)行分析。

1.3.4結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

通過疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度表達(dá)式為[8]:

σ=P/S

(1)

式中:σ為涂層結(jié)合強(qiáng)度,MPa;P為涂層斷裂時(shí)最大拉力,N;S為涂層有效結(jié)合面積,mm2。

1.3.5電化學(xué)測(cè)試

通過電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn),電解質(zhì)溶液為氯化鈉。

1.3.6鹽霧測(cè)試

參照國(guó)標(biāo) GB 6458—1986通過HS-101B型鹽霧試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)[9-10]。試驗(yàn)溶液為氫氧化鈉,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值分別為5%和7,試驗(yàn)溫度為35 ℃。

1.3.7折算系數(shù)

折算系數(shù)表達(dá)式為[11]:

α=Iw/Is

(2)

式中:α為折算系數(shù),%;Iw、Is分別為水介質(zhì)、涂層自腐蝕電流,μA。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素含量的測(cè)定

通過對(duì)噴涂后涂層化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而表征材料的致密性,結(jié)果如表1所示。

表1 涂層元素含量測(cè)試結(jié)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(cè)到鋁元素和鋅元素外,還可檢測(cè)到鐵元素和氧元素。對(duì)比2種涂層的元素變化可發(fā)現(xiàn),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(qiáng)了涂層防腐性能。

2.2 孔隙率測(cè)試結(jié)果

通過涂層的孔隙率大小表征涂層的密實(shí)程度,進(jìn)而對(duì)其耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)斷[12]。表2為孔隙率測(cè)試結(jié)果。

表2 孔隙率測(cè)試結(jié)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(yàn)采用的工藝有關(guān)。Zn-50Al孔隙率最低為10%。這說明Zn-50Al涂層具備更致密的結(jié)構(gòu),擁有更強(qiáng)的耐腐蝕能力。

2.3 結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試

表3為涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

表3 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

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

2.4 鹽霧腐蝕結(jié)果

對(duì)鹽霧腐蝕后材料形貌進(jìn)行表征,具體如圖1所示。

(a)Zn-15Al

由圖1(a)可知,腐蝕時(shí)間為10 d時(shí),Zn-15Al 涂層表面有少量的腐蝕物產(chǎn)生,腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),腐蝕物開始慢慢的鋪滿涂層表面,涂層表面顏色開始轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色,涂層狀態(tài)也開始變得凹凸不平。70 d時(shí),涂層失去了防腐效果。由圖1(b)可知,Zn-50Al涂層經(jīng)過10 d的鹽霧腐蝕后,涂層狀態(tài)較為完整,肉眼看不到明顯的腐蝕物出現(xiàn),僅能看到一些未清除干凈的白色鹽粒。當(dāng)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至40 d時(shí),涂層表面開始出現(xiàn)一些腐蝕產(chǎn)物,但腐蝕情況較為輕微,沒有明顯繡紅色腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn),仍具備一定的防腐效果。當(dāng)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至70 d時(shí),涂層表面開始出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物,部分表面被銹紅色腐蝕產(chǎn)物覆蓋,也有一些細(xì)微裂紋出現(xiàn),整體性出現(xiàn)一些影響,但仍舊具備一定的保護(hù)作用。

3 氯化鈉含量與水介質(zhì)折算關(guān)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(jié)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(dòng),這說明 Zn-50Al合金涂層不容易溶于電解質(zhì)中,即具備更好的耐腐蝕能力。同時(shí),自腐蝕電位隨電解質(zhì)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而負(fù)移。這因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,溶液內(nèi)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(zhì)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(shù)

表5為折算系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

表5 折算系數(shù)

由表5可知,Zn-50Al的折算系數(shù)明顯高于Zn-15Al合金涂層,這說明氯化鈉溶液對(duì)Zn-50Al腐蝕加速影響較Zn-15Al 合金涂層小[19-20]。同時(shí),折算系數(shù)隨電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。也就是說,在鋼構(gòu)件的日常使用和維護(hù)中,應(yīng)避免鹽霧大量沉積,避免影響鋼構(gòu)件使用壽命。

4 結(jié)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(xì)小孔隙和分層現(xiàn)象出現(xiàn)。但Zn-50Al涂層顏色更鮮亮,結(jié)構(gòu)更為致密,與基材結(jié)合的更緊密;

(2)未經(jīng)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?？紫堵始s為10%,結(jié)合強(qiáng)度約為5.8 MPa;

(3)經(jīng)過鹽霧腐蝕后,合金涂層開始出現(xiàn)變化,Zn-15Al涂層從10 d就開始腐蝕。在70 d時(shí),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(tài)較為完整,沒有明顯腐蝕物。當(dāng)腐蝕時(shí)間為70 d時(shí),涂層雖然受到了影響,但仍舊具備一定的保護(hù)作用;

(4)對(duì)腐蝕產(chǎn)物的元素進(jìn)行分析,Zn-15Al涂層為層狀結(jié)構(gòu)和顆粒狀結(jié)構(gòu)的腐蝕產(chǎn)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(xiàn)出較好的屏蔽性能;

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

(6)電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,Zn-50Al合金涂層較Zn-15Al涂層更難溶于電解質(zhì)中,耐腐蝕性能良好;

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