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关 键 词：电弧喷涂,7Cr13,封孔,纳米Al2O3,耐蚀性能 作 者：杜海清,吴玉萍,洪晟,郭文敏,何智华 内 容： 杜海清，吴玉萍，洪 晟，郭文敏，何智华 （河海大学力学与材料学院，江苏南京 210098） 摘要：采用电弧喷涂工艺在基体Q235钢上喷涂了厚度约为150μm的7Cr13涂层，并采用3种封孔工艺对涂层进行封孔处理，封孔剂采用添加不同含量的纳米Al2O3异丙醇溶液的有机硅透明树脂。用乙酸盐雾腐蚀、全浸泡腐蚀以及电化学腐蚀检测了7Cr13涂层与对比材料镀铬层的耐腐蚀性能。结合扫描电镜、光学显微镜对腐蚀前后试样的表面形貌进行了观察和对比。结果表明，涂层呈层状结构，涂层封孔后孔隙率明显降低，涂层结合强度为47MPa,远高于镀铬层，封孔涂层的耐腐蚀性明显优于未封孔涂层，纳米封孔7Cr13涂层的耐腐蚀性能优于镀铬层。 关键词：电弧喷涂； 7Cr13;封孔；纳米Al2O3;耐蚀性能 中图分类号：TG174·442 文献标志码：A 文章编号：0254-6051（2011）02-0056-04 液压支架广泛应用于我国大中型煤矿企业以及海上钻井平台中。在使用过程中，由于环境恶劣、工作条件差、湿度大，使用环境中大部分含有酸性腐蚀介质，致使液压支架由于腐蚀、磕碰、磨损等原因造成的报废失效现象相当严重，其中最常见的是液压支架油缸活塞的腐蚀报废失效[1]。所以在实际生产应用中要求液压支架油缸活塞具有优良的耐腐蚀性能。目前常用的防腐技术主要有热喷涂、电镀以及阴极保护法[2]。电弧喷涂技术是最常见的热喷涂工艺，电弧喷涂涂层不仅质量好，与基体结合强度高，而且电弧喷涂生产效率高，设备投资少、成本低，操作简单、安全性好，易于使用和维护，是一种很有效的表面防护与修复技术。镀铬是一种传统的电镀技术，镀铬层外观精美、硬度高，而且摩擦因数较低，具有良好的耐磨性。但电镀工艺会带来严重的环境污染，生产排放的气、液、固体废物都严重污染环境，尤其是产生的Cr6+是致癌物质，严重威胁着人类的健康，电镀铬工艺已逐步被国家相关部门严格控制生产[3-4]。本文研究了可用于修复液压支架油缸活塞的纳米封孔7Cr13电弧喷涂涂层的耐腐蚀性能，并与镀铬层进行了对比。 1 试验材料与方法 1·1 涂层制备与封孔 采用电弧喷涂工艺在基体Q235钢板上制备7Cr13涂层，基体尺寸为25 mm×25 mm×5 mm,丝材直径3 mm,丝材外皮为Q235钢。喷涂设备采用ZPG-400A型电弧喷涂设备，试样喷涂前经喷砂和除油处理，喷涂工艺参数：工作电压38 V,工作电流120 A,喷枪电压10 V,空气压力0·8MPa,喷涂距离300 mm。采用添加纳米Al2O3异丙醇溶液的有机硅透明树脂对涂层进行封孔。将纳米Al2O3粉体（8~15 nm）分散在有机溶剂异丙醇中，形成高度分散化、均匀化和稳定化的纳米Al2O3醇分散浆。涂层的3种封孔剂组合分别为有机硅树脂、有机硅树脂+3%纳米Al2O3和有机硅树脂+6%纳米Al2O3,依据工艺按体积比先将封孔剂在烧杯中混合，通过高速搅拌机搅拌30min,使封孔剂充分混合均匀，然后在试样表面均匀的涂抹封孔剂，在空气中放置20 min后，放入115℃的DGG-9070B烘箱中保持15 min,冷却固化后将涂层表面多余的封孔剂用砂纸打磨干净，重复上述步骤操作一次，得到封孔试样。 1·2 腐蚀试验 涂层经过3种封孔工艺封孔后得到3种不同的涂层，再加上原始未封孔试样与电镀铬对比试样，分别进行乙酸盐雾腐蚀试验、全浸泡腐蚀试验及电化学腐蚀试验。 1）乙酸盐雾（AASS）腐蚀试验的腐蚀剂为浓度50 g/L的NaCl溶液，加入适量的乙酸，调整收集溶液pH值变为3·1~3·3,试验设备采用YWX-150盐雾腐蚀试验箱[5],乙酸盐雾腐蚀试验参数：饱和器温度（35±2）℃，盐雾沉降率1~2 mL·cm-2·h-1,连续喷雾，相对湿度（94±4）%,气源8 kg/cm2,进气压力0·2~0·4MPa,喷雾压力0·07~0·15MPa。 2）全浸泡腐蚀试验每组取3个平行试样。腐蚀液为HCl溶液，浓度为10%,试验温度为（35±2）℃。试验前用环氧树脂对非涂层表面进行遮蔽处理。试验时每隔2 h取出试样，用不高于40℃的蒸馏水轻轻清洗以除去试样表面残留的腐蚀溶液，放置于70℃的烘箱中保持2 h,再用精度为10-4g的电子天平进行称量，计算出试样质量变化。 3）电化学腐蚀试验的腐蚀液为3·5% NaCl溶液，试样在溶液中浸泡30 min,由PARSTAT 2273Advanced Electrochemical System型电化学仪器绘制tafel极化曲线，参比电极采用232型饱和甘汞电极。 1·3 涂层形貌观察与性能测试 采用OLYMPUS BX51M光学显微镜（OM ）、HITACHIS-3400N扫描电镜（SEM）对涂层腐蚀前后的形貌进行观察与分析。采用OLYMPUS图像分析软件测量涂层孔隙率。涂层的结合强度按照ASTMC633—1979《热喷涂层粘结强度标准试验方法》在REGER微机控制电子万能试验机上进行测试。 2 试验结果与分析 2·1 涂层形貌 图1为7Cr13电弧喷涂层的组织。由图1看出，涂层呈典型的层状堆积结构，层与层之间有较明显的分界线，经测定涂层孔隙率约13%。在电弧喷涂过程中，喷涂线材熔融后经喷枪气流加速喷射到基体表面，熔滴与基体碰撞发生散射变形[6],最后堆积成典型的层状结构，由于喷射速度尚未达到超音速，所以涂层孔隙率较大，采用有机硅及纳米Al2O3异丙醇溶液封孔后，可明显降低原始涂层孔隙率，经Olympus图像分析软件测定涂层封孔后孔隙率约3%。涂层的平均结合强度为47MPa,远大于镀铬层，镀铬层与基体结合强度约10MPa[7-8]。
2·2 涂层的耐腐蚀性 图2（a）为乙酸盐雾腐蚀单位面积质量损失与时间的关系曲线，图2 （b）为全浸泡腐蚀单位面积质量损失与时间的关系曲线。从图2（a）可以看出，试验初期，所有试样均有不同程度的质量增加，由于腐蚀氧化反应产生腐蚀产物，腐蚀产物未与涂层脱落，导致质量增加，试验进行到第5天，试样的质量才开始小于原始试样。其中未封孔试样的质量增加与质量损失最明显，有机硅加6%纳米Al2O3封孔试样质量损失最小，镀铬试样次之，随后是有机硅封孔试样与有机硅加3%纳米Al2O3封孔试样。由此可见，未封孔试样耐乙酸盐雾腐蚀性能最差，封孔后耐蚀性能提高，其中7Cr13电弧喷涂涂层经过封孔工艺3,即有机硅加6%纳米Al2O3封孔后耐盐雾腐蚀性能提高明显，在酸性工作条件下可部分取代镀铬层。从图2（b）中可以看出封孔试样质量损失小于未封孔试样与镀铬试样，未封孔试样质量损失曲线与镀铬试样基本重合，有机硅加6%纳米Al2O3封孔试样质量损失最少，略好于有机硅封孔试样，有机硅加3%纳米Al2O3封孔试样质量损失明显少于镀铬试样及未封孔试样。
图3是试样电化学tafel极化曲线关系图。由图3可知，有机硅加6%纳米Al2O3封孔试样、有机硅加3%纳米Al2O3封孔试样以及未封孔试样的腐蚀电位都高于镀铬试样，从腐蚀电位角度对比来讲，纳米封孔7Cr13电弧喷涂涂层的电化学腐蚀性能优于镀铬层。
2·3 腐蚀机理 图4为腐蚀后的涂层形貌。原始涂层孔隙率较大，腐蚀一般从孔洞开始[9],发生孔蚀并逐渐沿着晶界边缘向内部腐蚀，随着时间的推移产生较大的腐蚀缝隙，涂层表面发生龟裂及脱落，如图4（a）所示；而涂层封孔后孔隙率变得很小，原先的孔洞及缝隙被有机硅及纳米Al2O3填充，纳米微粒与涂层结合较致密，且纳米Al2O3微粒本身的化学活性很低，可以耐酸、碱、盐的腐蚀[10],在同样的腐蚀条件下，封孔剂阻止了腐蚀液向内部侵蚀的速度，有效阻止了由于孔蚀产生的孔洞贯通，减少了涂层发生缝隙腐蚀的概率，腐蚀过程中没有产生很明显的腐蚀裂纹，如图4（b）所示，这与文献[11]的研究结果相似。
3 结论 1） 7Cr13电弧喷涂涂层具有典型的层状堆积结构，涂层孔隙率约13%,采用纳米Al2O3异丙醇溶液及有机硅封孔后，涂层孔隙率明显降低，约为3%。涂层平均结合强度47MPa,远高于镀铬层。 2）封孔7Cr13电弧喷涂涂层耐腐蚀性能明显优于未封孔涂层，乙酸盐雾腐蚀与全浸泡腐蚀试验中封孔试样质量损失都小于未封孔试样。纳米封孔涂层电化学腐蚀性能优于纯有机硅封孔涂层及镀铬层。 3）采用有机硅透明树脂添加6%纳米Al2O3异丙醇溶液的纳米封孔7Cr13电弧喷涂涂层耐腐蚀性能优于镀铬层。纳米Al2O3颗粒与涂层组织结合致密，具有良好的耐腐蚀性能，有效阻止了腐蚀液向涂层内部的侵蚀。 参考文献：略 注：本站部分资料需要安装PDF阅读器才能查看，如果你不能浏览文章全文，请检查你是否已安装PDF阅读器！ |
