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微納米復合粉末滲鋅涂層在防腐蝕領域中的應用

2011-08-01 00:00:00 作者：姜蓓蓓楊新岐來源：《腐蝕防護之友》分享至：

微納米復合粉末滲鋅涂層在防腐蝕領域中的應用

　　□文/姜蓓蓓,楊新岐·天津先知邦滲鋅防腐蝕金屬制品有限公司

　　鋼鐵材料腐蝕是當今世界面臨的迫切需要解決的問題之一;在全世界范圍內,每90s內就有1t鋼鐵材料轉變為鐵銹,其中在鋼鐵材料制造的2t結構中,，就有1t被鐵銹所取代。

　　因此研究開發先進的防腐蝕技術,以減少腐蝕造成的經濟損失、延長鋼鐵材料和設備的使用壽命,對促進先進技術、尖端科學和國防工業的發展,以及國民經濟的可持續發展具有極為重要的意義。

　　在過去長期研究中已開發了許多工業化表面防腐蝕處理工藝,由于金屬鋅具有耐腐蝕性好、附著強度高、熔點低、易于涂覆及陰極保護作用等特點,因而鋅是鋼鐵構件中應用最廣泛的防腐材料。

　　據統計,世界上鋅總產量的70%用于鍍鋅工藝，在我國50%以上的鋅產量用于鍍鋅防腐工程。目前已開發了多種鋅防腐涂層:如電鍍鋅(離子鍍或離子注入等)、冷鍍鋅(機械鍍、化學鍍、涂刷鍍等)及熱鍍鋅涂層等。

　　與上述涂層加工工藝比較,粉末滲鋅具有獨特的優勢:如工藝過程簡單、節省原料及不污染環境等。粉末滲鋅涂層與基體的結合強度很高,具有優異抗高溫氧化性、耐腐蝕性和抗磨損與抗沖擊等特性,極大地提高了金屬構件的使用性能,因而在鋼鐵材料防腐工程領域具有極為廣泛的應用前景。

技術原理及工藝特點

　　技術原理

　　微納米復合粉末滲鋅技術是一種先進的鋼材防腐蝕表面處理技術,其原理是將微納米粉末添加到滲鋅劑中,與鋼鐵制件一起置于滲鋅爐中,加熱到350～420℃ ,活性鋅原子則由表及里地向鋼鐵制件滲透,與此同時,鐵原子曲內向外擴散,這就在鋼鐵制件的表層形成鋅-鐵金屬間化合物,即滲鋅層(圖1)。2008年出版的美國ASTM標準將這種工藝形成的防護涂層稱為熱擴散涂層(Thermo-Diffusion Coatings-TDC)。通過熱擴散涂層處理工藝可以明顯改善金屬材料表面耐腐蝕、耐磨損、抗氧化及抗沖擊等使用性能。

　　圖1微納米復合粉末滲鋅工藝流程

　　與傳統的粉末包埋化學熱處理不同(將構件包埋在粉末中在靜止狀態下加熱),微納米復合粉末滲鋅過程是在不斷滾動狀態下進行加熱處理,粉末混合物與工件之間的機械摩擦、沖擊作用,不僅有利于新鮮擴散滲劑與被處理界面的緊密接觸,而且使得被加熱介質溫度場均勻化、并有效促進冶金擴散化學反應。

　　目前的粉末滲鋅技術不需要惰性氣體或低真空的加熱環境,一般在大氣環境下的密封容器中就可以實現熱擴散涂層加工處理,因而熱處理設備簡單、成本低,非常適合于復雜形狀鋼鐵構件的大批量加工處理。

　　必須強調的是:粉末滲鋅涂層在大氣環境或加速腐蝕試驗環境下,在早期使用中可能在涂層表面局部呈現褐色斑塊現象,但這種類似銹蝕的褐色斑不會影響涂層的防腐性能(必須與鋼鐵基體的腐蝕區分開),這是由于Zn-Fe合金涂層表面Fe離子釋放而產生的氧化物。有時候為避免上述現象,滲鋅涂層進行鈍化后處理(磷化、鈍化或封閉處理等)。因此,復合粉末滲鋅技術是指包括前處理、加熱滲鋅及后處理等完整工序的一種熱擴散涂層加工工藝過程。

　　工藝特點

　　(1)涂層厚度均勻性好。滲鋅涂層厚度只取決于加熱溫度和保溫時間,與構件的形狀和不同位置基本無關。無論螺紋、內壁或凹槽等部位,通過控制規范都可獲得在20～110m之間變化均勻涂層,如圖2所示。

　　圖2螺紋位置的均勻滲鋅涂層

　　(2) 硬度最高,耐磨損和抗劃傷能力最強。粉末滲鋅涂層顯微硬度為250～420HV 。而熱浸鍍、電鍍鋅,涂層硬度一般為75～88HV ,熱噴涂鋅層具有1%～15%孔隙率,因而硬度更低;達克羅涂層硬度最低,僅為2～6H(H為鉛筆硬度測量單位)。硬度越高表明鍍層耐磨損性能越好、抵抗表面劃傷能力也越強(圖3)。

(a) 未做表面處理 (b)滲鋅涂層 (c)達克羅涂層

　　圖3試樣大氣暴露試驗1000h

　　(3)與基體金屬的結合強度最高。粉末滲鋅層為擴散冶金結合,具有很好的附著強度,耐磨損抗劃傷,涂層很難剝離掉,只有用化學酸洗方法才能除掉,其涂層與母材界面拉伸強度為600～700kg/mm²;涂層表面層拉伸強度為300～350kg/mm²。

　　(4)耐腐蝕性最強。粉末滲鋅層為鐵-鋅合金組織,滲鋅層與鐵的電位差低于鋅與鐵的電位差。因而作為陽極性保護層,滲鋅層具有更好的保護效果。試驗表明在海洋大氣、惡劣的工業大氣等多種環境下,滲鋅層的耐蝕性高于電鍍鋅,比熱浸鍍鋅的耐腐蝕性高10%～30%,見表1。

　　(5)涂覆性能最好。粉未滲鋅層均勻與油漆和高分子涂層材料之間具有很好附著強度,其復合涂層的耐腐蝕性均明顯優于熱浸鍍、電鍍鋅和熱噴涂鋅層。

　　(6)溫度低,不影響構件機械性能,沒有氫脆現象。滲鋅處理的溫度在350～450℃ ,此溫度下吸入鋼基體的氫原子已擴散逸出。因此在應用中沒有氫脆的危害,也能避免彈簧、高強度金屬件因處理溫度高造成機械性能下降的局限性,可以處理各種鋼鐵鍛件、組裝件、緊固件、鑄件、鑄鋼件和型鋼、對溫度有特殊要求的高強鋼構件和彈簧鋼構件等。

　　(7)節約鋅粉。粉末滲鋅工藝耗鋅量是熱噴涂鋅的30%、熱浸鍍鋅的60%。熱浸鍍鋅由于鋅蒸汽、鋅灰、鋅渣及鋅液飛濺、鋅瘤毛刺等造成較多鋅原料浪費;熱噴涂過程由于鋅粉氧化也會造成大量鋅的損失,而粉末滲鋅在密封容器中進行,所加鋅粉可根據構件表面積和鍍層厚度準確控制,耗鋅星明顯低于上述鍍鋅工藝。

　　(8)工藝過程無環境污染。粉末滲鋅為固態熱擴散過程,構件與滲劑在密閉的容器中進行擴散和分離,沒有鋅蒸汽產生,熱處理爐用電、燃油或燃氣作為能源,對周圍環境沒有污染。而熱浸鍍鋅有鋅廢料和鋅蒸汽等污染,電鍍鋅有“三廢”排放嚴重污染,，達克羅涂層由于存在“Cr⁶⁺”對環境產生嚴重污染，,目前國外已限制達克羅涂層的工業應用。