耐腐蝕涂層材料的選擇比較復雜。零件的工作狀態(tài)、工作溫度、工作環(huán)境和各種腐蝕介質(zhì)都增加了對涂層材料的要求。腐蝕環(huán)境可能是水溶液、氣體或各種化學(xué)介質(zhì),還可能具有寬廣的溫度范圍。在有燃氣存在的條件下,燃燒的氣體或未燃燒的燃料也可能在適當的溫度下與其它物質(zhì)發(fā)生反應,形成很復雜的腐蝕環(huán)境。
01
耐腐蝕涂層材料的選擇
這類(lèi)涂層耐下述條件的腐蝕:金屬或合金暴露在戶(hù)外或室內的大氣中,涂層在大氣中能抵抗風(fēng)、雨、陽(yáng)光和其他氣候變化條件的腐蝕。在戶(hù)外使用的涂層在室內也能很好地使用。這類(lèi)涂層包括耐工業(yè)氣氛的涂層、耐海洋氣氛腐蝕的涂層和耐農村大氣腐蝕的涂層。
耐工業(yè)大氣腐蝕的涂層
耐工業(yè)大氣腐蝕的涂層能承受具有煙塵或化學(xué)煙霧(如大城市和重工業(yè)區等)的惡劣氣氛,可噴涂Al、Zn涂層。這類(lèi)涂層必須進(jìn)行封孔處理,封孔劑的選擇非常重要。
這類(lèi)涂層常用于所有類(lèi)型的結構和構件鋼、電的導線(xiàn)管、橋梁、輸電線(xiàn)、金屬構件、草坪和庭院設施等。
耐海洋氣氛腐蝕的涂層
這種涂層能承受海洋附近或具有鹽霧條件下的腐蝕。常用于橋梁-高于水線(xiàn)、船塢結構-高于水線(xiàn)、貯藏容器外壁、船的上層結構、棧橋、變壓器表面等。
耐農村大氣腐蝕的涂層
農村大氣中雖然沒(méi)有工業(yè)煙霧和海洋性氣候的鹽霧,但含有少許的污染物。
浸漬腐蝕是金屬或其涂層暴露在液體中,并且是全部或部分、或二者交替地受到浸漬,防腐蝕涂層必須能夠耐液面以上或液面以下環(huán)境的腐蝕。這類(lèi)涂層有如下幾種:耐食用淡水的涂層、耐非飲用淡水的涂層、耐熱淡水的涂層、耐鹽水腐蝕的涂層、化學(xué)和食品工業(yè)使用的涂層。
耐飲用淡水涂層
這種涂層耐淡水,并且不能改變水的化學(xué)成分。為了適合可飲用水的要求,不能使用含鉻酸鹽的密封劑。常噴涂Zn涂層。常用于淡水貯器;高架渠(高架水道、輸水道、導水管)、過(guò)濾機水槽、水輸送管等。
耐非飲用淡水涂層
這種涂層耐非飲用淡水,水溫不超過(guò)52℃,pH值為5~10。常噴涂Al、Zn涂層。常用于發(fā)電廠(chǎng)引入線(xiàn)、浸漬在淡水中的結構裝置、航行在淡水中的船身等。
耐熱淡水涂層
這種水系非飲用水,水溫在52~204℃,pH值為5~10,可噴涂Al涂層,但要封孔。常用于交換器、熱水貯藏容器、蒸汽凈化設備、暴露于蒸汽的零件。
耐鹽水涂層
這種涂層可以全部或部分浸在靜止的或運動(dòng)的食鹽水或海水中。對靜止狀態(tài)的結構,海水浸沒(méi)的范圍應從泥線(xiàn)之下一直延伸到潮線(xiàn)之上0.914米的部位;高出這一范圍,應作為“鹽類(lèi)大氣”考慮。常噴涂Al涂層。常用于船用發(fā)動(dòng)機的集油盤(pán)、鋼體河樁和橋墩、船體、魚(yú)舵和魚(yú)箱、在船體水線(xiàn)之下存有污垢問(wèn)題的部位等。
化學(xué)和食品工業(yè)使用的涂層
這種涂層能耐諸如油、燃料和溶劑等的化學(xué)作用,并且能耐各種食品的腐蝕,但不能改變食品的化學(xué)成分和味道,可噴涂Al涂層,但要封孔。常用于汽油、原油、燃料油以及二甲苯、乙醇、丁醇、醋酸戊酯和甲苯等藥劑的貯藏、啤酒廠(chǎng)的麥芽漿槽、軟飲料設備、乳品及制酪業(yè)設備、食品油貯槽及糖蜜罐、甘油槽內襯、木屑洗滌機等。
這類(lèi)涂層能承受各種酸、堿、鹽類(lèi)的溶液、蒸汽和固體的腐蝕。這類(lèi)涂層主要是各種鐵基、鎳基和鈷基合金、自熔性合金、有色金屬,氧化物陶瓷,碳化鉻和碳化鎢等金屬陶瓷。由于熱噴涂層都有一定的孔隙率,所以,各種涂層必須進(jìn)行填充密封處理。密封劑本身也必須耐化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。
為了抗化學(xué)腐蝕的需要,在給定環(huán)境下采用的所有涂層,必須用推薦的密封劑進(jìn)行處理。使用專(zhuān)門(mén)的密封劑,不會(huì )破壞涂層的力學(xué)性能。然而,在高溫下涂層抗化學(xué)腐蝕的能力部分地取決于密封劑。
02
熱噴涂涂層的耐腐蝕性能檢測
涂層的耐腐蝕性是反映涂層保護基體金屬和抵抗環(huán)境侵蝕能力的好壞,是直接影響金屬構件使用壽命的重要指標。特別是對于防護性涂層及防護-裝飾性涂層,對涂層的耐腐蝕性指標有其明確的要求,必須進(jìn)行嚴格的檢驗。
腐蝕試驗包括實(shí)驗室腐蝕試驗和現場(chǎng)腐蝕試驗兩類(lèi)。實(shí)驗室腐蝕試驗,可分為室溫或加熱的液態(tài)浸漬腐蝕和氣體腐蝕(含高溫氧化)以及鹽霧試驗等?,F場(chǎng)腐蝕試驗也多種多樣,如大氣腐蝕、海水及淡水浸漬、土壤腐蝕、掛片試驗等。按腐蝕介質(zhì)的性質(zhì),又可分為酸性、堿性、中性鹽腐蝕等類(lèi)型。
對噴涂層進(jìn)行液態(tài)浸漬腐蝕,可帶標樣(一般為被噴涂的基體材料)同時(shí)進(jìn)行,也可帶入已知耐蝕性的其他材料試樣,以期進(jìn)行比較。由于噴涂層多有氣孔存在,故應首先進(jìn)行封孔處理后再做腐蝕試驗。液態(tài)浸漬腐蝕又分為靜態(tài)全浸式、部分浸漬式、交互浸漬式、氣蝕等流液浸漬等。
靜態(tài)全浸式
靜態(tài)全浸式就是將試樣完全浸入溶液浸泡的試驗方法。此方法操作簡(jiǎn)便,重現性好,比較容易控制試驗因素。國家標準GB 10124-1988《金屬材料實(shí)驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》中詳細規定了試驗方法和要求。試驗時(shí),不論是常溫還是煮沸下的腐蝕試驗,均應保持溶液的濃度始終一致。溶液的蒸發(fā)損失可采用恒定水平面裝置控制或定時(shí)地添加溶液,使溶液體積的波動(dòng)不超過(guò)±1%,有時(shí)也采用回流冷凝。為避免腐蝕產(chǎn)物積累影響腐蝕規律,一般將介質(zhì)容量與試樣表面積的比例控制在20~200mL/cm3。通常要求每個(gè)試驗裝置中只浸泡一種涂層,以避免一種涂層的腐蝕產(chǎn)物對另一種涂層腐蝕規律的干擾。
部分浸漬式
交互浸漬式
交互浸漬試驗又稱(chēng)間浸試驗,是指將帶有金屬涂層的試樣交替地浸入液態(tài)腐蝕介質(zhì)和暴露在空氣中。交互浸漬試驗是一種模擬試驗,也是一種加速試驗。這種交互浸漬狀態(tài)為水溶液作用提供了加速腐蝕的條件,因為在大部分暴露時(shí)間中試樣表面可以保持頻繁更新,幾乎為氧所飽和的溶液薄膜,而且在干濕交替過(guò)程中,由于水分蒸發(fā)使得溶液中的腐蝕性組分濃縮。另外,試樣表面完全干燥常常使腐蝕速度下降,但是腐蝕產(chǎn)物膜破裂則起相反的作用。
交互浸漬試驗結果與干濕變化的頻率、環(huán)境的溫度和濕度密切相關(guān),所以必須合理設計干濕變化周期,并在連續試驗中保持不變。同樣,應合理控制環(huán)境溫度和濕度,以保證試樣在大氣暴露期間有恒定的干燥速度。根據不同的試驗要求,有時(shí)在濕度相當高的密閉裝置中進(jìn)行間浸試驗,使試樣離開(kāi)溶液后始終保持濕潤狀態(tài);有時(shí)在空氣中暴露時(shí)用干燥熱風(fēng)吹拂(或輻照加熱),以加速干燥。
中性鹽霧試驗是一種常用的人工加速腐蝕試驗,它是模擬沿海大氣環(huán)境中,溫暖的海面向寒冷的空氣蒸發(fā)和海浪沖擊下潑向空間的含氯離子微小液滴,形成細霧狀介質(zhì)對金屬的腐蝕條件,采用一定濃度的氯化鈉溶液,在加壓下以細霧狀噴射,由于霧粒均勻地落在試樣表面,并不斷維持液膜更新,因而對涂層的腐蝕符合大氣腐蝕基本原理,實(shí)現測定涂層的加速腐蝕作用。
中性鹽霧試驗畢竟不能完善地模擬大氣條件對金屬涂層的腐蝕,加之影響腐蝕的因素較多,造成測試條件不易控制等等,往往重現性較差,所以只能作為同一類(lèi)型涂層在該條件下相對耐蝕性的比較。實(shí)踐表明,它對陽(yáng)極性涂層(如鋼鐵基體上的鋅層和鎘層等)耐蝕性效果較好,而對陰極性涂層,則只能揭示涂層的孔隙和缺陷程度,間接地反映涂層的抗腐蝕能力。
國家標準GB 6458-1986《金屬覆蓋層 中性鹽霧試驗》中規定了中性鹽霧試驗所使用的設備、試劑和方法。
銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(CASS法)是中性鹽水噴霧試驗的改進(jìn)方法。由于它在氯化鈉溶液中用醋酸酸化,并加入氯化銅提高對某些金屬涂層的腐蝕速率和效果,取得了鋼鐵基體上陰極性涂層腐蝕方式接近于實(shí)際環(huán)境的良好結果。CASS法與中性鹽霧法相比,不僅腐蝕速度加快,而且重現性較好,所以正逐步取代中性鹽霧法對陰極性涂層的耐蝕性檢驗。該法適用于鋼鐵基體上陰極性涂層(銅、鎳、鉻涂層等)和鋁或鋁合金上陽(yáng)極氧化膜的耐腐蝕性檢驗。
大氣暴露腐蝕試驗是在天然大氣條件下,對噴涂層試樣在試樣架上(室外或室內)進(jìn)行實(shí)際的腐蝕試驗,通過(guò)定期觀(guān)察及測定其腐蝕過(guò)程特征和腐蝕速度確定其防護壽命。大氣暴露試驗是正確判斷涂層耐蝕性能的一個(gè)重要方法,其評定結果通常作為制定涂層厚度標準的依據。具體試驗方法可參照國家標準GB 6464-1986《金屬和其它無(wú)機覆蓋層 靜置戶(hù)外暴曬腐蝕試驗一般規則》進(jìn)行。
大氣暴露腐蝕試驗條件的選擇應與工件使用的實(shí)際條件相同或相似。一般按暴露場(chǎng)地所處地區的環(huán)境條件,將大氣條件分為四類(lèi)(包括室內和室外):工業(yè)性大氣、海洋性大氣、農村大氣和城郊大氣。暴露場(chǎng)應設在完全敞開(kāi)的地方,能充分受到大氣(空氣、日光、雨、露、霧、霜、雪等)的侵襲。周?chē)慕ㄖ?、?shù)木和試樣架應有一定間隔距離,保證周?chē)ㄖ锖蜆?shù)木等的陰影在任何時(shí)刻不會(huì )投射到被測試樣上。
1)露天暴曬,即將試樣直接放在室外的框架上??蚣懿捎媚軌蚪?jīng)受腐蝕的材料制成,試樣在框架上面向南方??蚣芨浇闹参锔叨炔粦笥?.2m;
試樣投放最好選擇每年的潮濕、陰雨季節前,建議在每年的4~5月或9~10月。由于大氣腐蝕速度很慢,試驗時(shí)間最好為1~20年。試樣開(kāi)始暴露后,頭3個(gè)月內檢查次數應頻繁,一般每月2~3次。檢查時(shí)應注意開(kāi)始出現腐蝕點(diǎn)的時(shí)間,做好詳細記錄。3個(gè)月后每月檢查一次,一年后每3個(gè)月檢查一次。冬季室外暴露的試樣如遇下雪時(shí)(指冬季有下雪的地區),應定期拭去表面的積雪。取試樣時(shí)不可用手直接與主要表面接觸。不允許將兩片試樣接觸或摩擦以防止人為機械損傷或電化學(xué)腐蝕,造成試驗結果誤差。
熱噴涂防腐蝕技術(shù)目前已廣泛用于大量海洋工程設施,如海上采油鉆探平臺、艦船及港口設施等,因此海水腐蝕試驗是熱噴涂涂層進(jìn)行較多的試驗內容之一。
海洋大氣腐蝕試驗
可以表征船上、船艙內的金屬防護涂層腐蝕,以及不會(huì )直接受到海水或浪花作用的海岸設施的金屬防護涂層腐蝕。
浪花飛濺帶腐蝕試驗
表征海上和沿岸結構件在海平面之上經(jīng)常遭受浪花飛濺作用,但不會(huì )受到海水浸潤的金屬防護涂層腐蝕。通常試樣被放置在乎均高潮位上方0.2~2m的位置。
海水間浸試驗
又稱(chēng)交替浸泡試驗。表征港口結構和船體外部結構間或受到海水浸潤的金屬防護涂層腐蝕。
海水半浸試驗
即海水水線(xiàn)腐蝕試驗,表征任何海洋飄浮結構外部的氣/液/固三相交界處的金屬防護涂層腐蝕。
海水全浸試驗
表征各種水下設施的金屬防護涂層腐蝕,通常試樣被放置在最低潮位以下0.2~2m的位置。
海洋土壤腐蝕試驗
03
腐蝕試驗結果評定
熱噴涂涂層在遭受某種類(lèi)型的腐蝕之后,必然會(huì )導致涂層表面狀態(tài)或性能等發(fā)生改變,腐蝕的產(chǎn)物也具有顏色、狀態(tài)等特征,從這些特征及其變化情況,可以定性地判別涂層或基體金屬的腐蝕程度,從而確定其防護性能。
目測法是用肉眼或放大鏡(3~5倍)對涂層表面進(jìn)行觀(guān)察,有時(shí)也適當地使用一些簡(jiǎn)單的工具和設備。腐蝕后涂層的定性檢查和記錄,主要有以下五個(gè)方面:
(1)涂層和基體腐蝕產(chǎn)物的顏色和狀態(tài)。
(2)腐蝕率:腐蝕率(涂層被穿透、直達基體金屬的腐蝕點(diǎn)比率)是評定陰極性涂層防護性能的主要內容,可按下列方式觀(guān)察計算:
計算方格數時(shí),用一透明的帶有5mm×5mm方格的有機玻璃板或塑料薄膜、覆蓋在被測涂層試樣表面,讀出有腐蝕點(diǎn)的方格數(n)和被測涂層的總方格數(N),進(jìn)行計算。
(3)光澤:經(jīng)大氣暴露后涂層的光澤,是指涂層呈膜狀腐蝕時(shí)被氧化的程度。
(4)開(kāi)裂:涂層開(kāi)裂是指涂層經(jīng)腐蝕后,表面出現肉眼能見(jiàn)的裂紋。計算方法與計算腐蝕率面積百分比相同。
稱(chēng)重法是對涂層腐蝕進(jìn)行定量評定的主要方法,即測量單位時(shí)間內的涂層腐蝕失重,并得出其腐蝕速度。
式中:V為腐蝕速度,g·m2·h-1;W0為試樣原始重量,g;W1為試樣除去腐蝕產(chǎn)物后的重量,g;W2為清除腐蝕產(chǎn)物時(shí)同樣尺寸同種材料空白試樣的校正失重;S為試樣表面積,m2;t為腐蝕時(shí)間,h。
式中:KL為腐蝕的深度指標,mm/a;K-為腐蝕的失質(zhì)指標,g/(m2.h);ρ為涂層密度,g/cm3;8.76為換算系數。
若icorr的單位取μA/cm2,涂層密度ρ的單位取g/cm3時(shí):
或
因此,可用腐蝕電流密度icorr表示涂層的電化學(xué)腐蝕速度??梢?jiàn),腐蝕速度與腐蝕電流密度成正比關(guān)系。
值得指出的是,涂層的腐蝕速度一般隨時(shí)間而變化。因此,在實(shí)驗時(shí)應確定腐蝕速度與時(shí)間的關(guān)系,盡可能選擇測定穩定腐蝕速率的時(shí)間。關(guān)于局部腐蝕的速度比較復雜,通常不能用上述方法表示。