耐腐蝕涂層材料的選擇比較復雜。零件的工作狀態、工作溫度、工作環境和各種腐蝕介質都增加了對涂層材料的要求。腐蝕環境可能是水溶液、氣體或各種化學介質,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發生反應,形成很復雜的腐蝕環境。
01
耐腐蝕涂層材料的選擇
這類涂層耐下述條件的腐蝕:金屬或合金暴露在戶外或室內的大氣中,涂層在大氣中能抵抗風、雨、陽光和其他氣候變化條件的腐蝕。在戶外使用的涂層在室內也能很好地使用。這類涂層包括耐工業氣氛的涂層、耐海洋氣氛腐蝕的涂層和耐農村大氣腐蝕的涂層。
耐工業大氣腐蝕的涂層
耐工業大氣腐蝕的涂層能承受具有煙塵或化學煙霧(如大城市和重工業區等)的惡劣氣氛,可噴涂Al、Zn涂層。這類涂層必須進行封孔處理,封孔劑的選擇非常重要。
這類涂層常用于所有類型的結構和構件鋼、電的導線管、橋梁、輸電線、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、船塢結構-高于水線、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
農村大氣中雖然沒有工業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境的腐蝕。這類涂層有如下幾種: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、化學和食品工業使用的涂層。
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52℃,pH值為5~10。常噴涂Al、Zn涂層。常用于發電廠引入線、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的食鹽水或海水中。對靜止狀態的結構,海水浸沒的范圍應從泥線之下一直延伸到潮線之上0.914米的部位;高出這一范圍,應作為“鹽類大氣”考慮。常噴涂Al涂層。常用于船用發動機的集油盤、鋼體河樁和橋墩、船體、魚舵和魚箱、在船體水線之下存有污垢問題的部位等。
化學和食品工業使用的涂層
這種涂層能耐諸如油、燃料和溶劑等的化學作用,并且能耐各種食品的腐蝕,但不能改變食品的化學成分和味道,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、啤酒廠的麥芽漿槽、軟飲料設備、乳品及制酪業設備、食品油貯槽及糖蜜罐、甘油槽內襯、木屑洗滌機等。
這類涂層能承受各種酸、堿、鹽類的溶液、蒸汽和固體的腐蝕。這類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,各種涂層必須進行填充密封處理。密封劑本身也必須耐化學介質的腐蝕。
為了抗化學腐蝕的需要,在給定環境下采用的所有涂層,必須用推薦的密封劑進行處理。使用專門的密封劑,不會破壞涂層的力學性能。然而,在高溫下涂層抗化學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,必須進行嚴格的檢驗。
腐蝕試驗包括實驗室腐蝕試驗和現場腐蝕試驗兩類。實驗室腐蝕試驗,可分為室溫或加熱的液態浸漬腐蝕和氣體腐蝕(含高溫氧化)以及鹽霧試驗等。現場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。按腐蝕介質的性質,又可分為酸性、堿性、中性鹽腐蝕等類型。
對噴涂層進行液態浸漬腐蝕,可帶標樣(一般為被噴涂的基體材料)同時進行,也可帶入已知耐蝕性的其他材料試樣,以期進行比較。由于噴涂層多有氣孔存在,故應首先進行封孔處理后再做腐蝕試驗。液態浸漬腐蝕又分為靜態全浸式、部分浸漬式、交互浸漬式、氣蝕等流液浸漬等。
靜態全浸式
靜態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,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。溶液的蒸發損失可采用恒定水平面裝置控制或定時地添加溶液,使溶液體積的波動不超過±1%,有時也采用回流冷凝。為避免腐蝕產物積累影響腐蝕規律,一般將介質容量與試樣表面積的比例控制在20~200mL/cm3。通常要求每個試驗裝置中只浸泡一種涂層,以避免一種涂層的腐蝕產物對另一種涂層腐蝕規律的干擾。
部分浸漬式
交互浸漬式
交互浸漬試驗又稱間浸試驗,是指將帶有金屬涂層的試樣交替地浸入液態腐蝕介質和暴露在空氣中。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,而且在干濕交替過程中,由于水分蒸發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、環境的溫度和濕度密切相關,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,有時在濕度相當高的密閉裝置中進行間浸試驗,使試樣離開溶液后始終保持濕潤狀態;有時在空氣中暴露時用干燥熱風吹拂(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境中,溫暖的海面向寒冷的空氣蒸發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型涂層在該條件下相對耐蝕性的比較。實踐表明,它對陽極性涂層(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際環境的良好結果。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)進行實際的腐蝕試驗,通過定期觀察及測定其腐蝕過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《金屬和其它無機覆蓋層 靜置戶外暴曬腐蝕試驗一般規則》進行。
大氣暴露腐蝕試驗條件的選擇應與工件使用的實際條件相同或相似。一般按暴露場地所處地區的環境條件,將大氣條件分為四類(包括室內和室外):工業性大氣、海洋性大氣、農村大氣和城郊大氣。暴露場應設在完全敞開的地方,能充分受到大氣(空氣、日光、雨、露、霧、霜、雪等)的侵襲。周圍的建筑物、樹木和試樣架應有一定間隔距離,保證周圍建筑物和樹木等的陰影在任何時刻不會投射到被測試樣上。
1)露天暴曬,即將試樣直接放在室外的框架上。框架采用能夠經受腐蝕的材料制成,試樣在框架上面向南方。框架附近的植物高度不應大于0.2m;
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,試驗時間最好為1~20年。試樣開始暴露后,頭3個月內檢查次數應頻繁,一般每月2~3次。檢查時應注意開始出現腐蝕點的時間,做好詳細記錄。3個月后每月檢查一次,一年后每3個月檢查一次。冬季室外暴露的試樣如遇下雪時(指冬季有下雪的地區),應定期拭去表面的積雪。取試樣時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腐蝕,造成試驗結果誤差。
熱噴涂防腐蝕技術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常遭受浪花飛濺作用,但不會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型的腐蝕之后,必然會導致涂層表面狀態或性能等發生改變,腐蝕的產物也具有顏色、狀態等特征,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)對涂層表面進行觀察,有時也適當地使用一些簡單的工具和設備。腐蝕后涂層的定性檢查和記錄,主要有以下五個方面:
(1)涂層和基體腐蝕產物的顏色和狀態。
(2)腐蝕率:腐蝕率(涂層被穿透、直達基體金屬的腐蝕點比率)是評定陰極性涂層防護性能的主要內容,可按下列方式觀察計算:
計算方格數時,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,讀出有腐蝕點的方格數(n)和被測涂層的總方格數(N),進行計算。
(3)光澤:經大氣暴露后涂層的光澤,是指涂層呈膜狀腐蝕時被氧化的程度。
(4)開裂:涂層開裂是指涂層經腐蝕后,表面出現肉眼能見的裂紋。計算方法與計算腐蝕率面積百分比相同。
稱重法是對涂層腐蝕進行定量評定的主要方法,即測量單位時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為試樣除去腐蝕產物后的重量,g;W2為清除腐蝕產物時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為腐蝕時間,h。
式中:KL為腐蝕的深度指標,mm/a;K-為腐蝕的失質指標,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:
或
因此,可用腐蝕電流密度icorr表示涂層的電化學腐蝕速度。可見,腐蝕速度與腐蝕電流密度成正比關系。
值得指出的是,涂層的腐蝕速度一般隨時間而變化。因此,在實驗時應確定腐蝕速度與時間的關系,盡可能選擇測定穩定腐蝕速率的時間。關于局部腐蝕的速度比較復雜,通常不能用上述方法表示。