劉瑞娟,姚志英

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南 鶴壁 458030)

1Cr18Ni9鋼料漿法陶瓷涂層耐腐蝕性能的研究

劉瑞娟,姚志英

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南 鶴壁 458030)

以MgO,SiO2,A l2O3和鈉長(zhǎng)石粉為陶瓷骨料,以磷酸二氫鋁為粘結(jié)劑,采用料漿涂法在1Cr18Ni9鋼表面制備陶瓷涂層,同時(shí)對(duì)該涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,帶有陶瓷涂層1Cr18Ni9鋼的耐鹽腐蝕性比沒有涂層的提高了1.5～2倍、耐酸腐蝕性提高了1倍、耐海水腐蝕性提高了1.7～2.8倍.

料漿法;陶瓷涂層;耐蝕性

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展,要求工程機(jī)械、設(shè)備及構(gòu)件的材料必須具備耐高溫、耐腐蝕、抗震動(dòng)、抗疲勞、抗溫度急變以及耐沖刷等特性.單純的金屬材料,即使是高溫合金也無法滿足要求.為了解決這些問題,人們開始在金屬及其它材料表面制備陶瓷涂層,以滿足使用要求.金屬基陶瓷涂層在航天、國(guó)防、化工、機(jī)械、電力及電子等工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用[1].

料漿法又叫膠粘法,該法簡(jiǎn)便,所用的設(shè)備簡(jiǎn)單且容易獲得,適應(yīng)性強(qiáng),不受場(chǎng)地和環(huán)境條件的限制,在室溫下操作,不會(huì)使零件受熱量的影響而產(chǎn)生變形[2].對(duì)于某些特殊工況及特殊部位的修復(fù),如燃?xì)夤?、貯油箱及井下設(shè)備的耐磨耐蝕防護(hù),采用該法安全可靠.

本文以M gO,SiO2,A l2O3和鈉長(zhǎng)石粉為主要陶瓷骨料,磷酸二氫鋁為粘接劑,采用料漿法制備金屬基陶瓷涂層,通過浸泡實(shí)驗(yàn)及鹽霧實(shí)驗(yàn)對(duì)所制備的陶瓷涂層進(jìn)行了耐蝕性能測(cè)試.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)以1Cr18Ni9鋼為實(shí)驗(yàn)基材,其成分列于表1[3].

表1 1Cr18Ni9鋼的基本成分Table 1 The basic composition of 1Cr18Ni9

首先將1Cr18Ni9鋼裁成20 mm×20 mm規(guī)格的小片,并在其上打一個(gè)小孔,以便實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣處理,然后用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨,以增加基體表面的粗糙度,最后用甲苯清洗試樣.

將陶瓷骨料按w(M gO)=11.5%,w(SiO2)=70.3%,w(A l2O3)=13.2%,w(鈉長(zhǎng)石粉)=5%進(jìn)行混合,然后與配制好的膠即磷酸二氫鋁,其ρ=1.72 g/m L,按m(骨料)∶m(膠)=0.5∶1混合攪拌配制成料漿,將配制好的料漿用刷子均勻地涂刷在試樣基體上,在涂刷涂層時(shí)要順著一個(gè)方向刷涂,速度應(yīng)均勻,并且盡量刷得薄些,這樣能增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,延長(zhǎng)其使用壽命.將涂刷好的試樣置于通風(fēng)干燥處進(jìn)行24 h陰干,以備固化用.

經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定,陶瓷涂層最佳的固化溫度為400℃,在涂層固化過程中升溫速率對(duì)涂層與基體之間的結(jié)合力有很大地影響,升溫速率過快,會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力較大,嚴(yán)重影響涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度,故應(yīng)控制升溫速率約為3℃/min.

1.2 浸泡實(shí)驗(yàn)

將帶有涂層和不帶涂層的1Cr18Ni9鋼分別放入預(yù)先配制好的腐蝕溶液中,經(jīng)一定時(shí)間后稱其失重量,再通過公式計(jì)算試樣的單位面積腐蝕量n.

式(1)中:△m為試樣的失重量,g;S為腐蝕面的面積,mm2.

實(shí)驗(yàn)中用到的主要試劑為磷酸、硫酸、甲苯、氯化鈉和氫氧化鋁,它們均為分析純.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽浸泡實(shí)驗(yàn)

把帶涂層的試樣分別編號(hào)為 T1,T2和 T3,無涂層的試樣編號(hào)為W 1.試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl溶液中間斷浸泡10 h后發(fā)現(xiàn):無涂層試樣的表面已明顯沒有腐蝕前的光澤,且基體表面顏色發(fā)暗;帶涂層的試樣,只有 T2試樣的涂層出現(xiàn)了小面積脫落,而另兩個(gè)試樣基本保持完好.這是由于試樣剛剛接觸腐蝕液時(shí),腐蝕液首先通過涂層中的孔洞、微裂紋等,通過毛細(xì)作用向涂層中滲透,因此有的試樣涂層會(huì)有小面積脫落.在熱固化過程中涂層界面處會(huì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),從而使涂層致密,所以帶涂層試樣的耐腐蝕性能比金屬基體好.

圖1為試樣單位面積腐蝕量隨腐蝕時(shí)間變化的曲線,帶涂層試樣的單位面積腐蝕量為三個(gè)試樣的平均值.從圖1可見,帶涂層試樣的耐鹽腐蝕性能是無涂層試樣的1.5～2倍.

圖1 試樣在NaCl溶液中腐蝕量隨腐蝕時(shí)間變化的曲線Fig.1 Variation curve of the samp le’s co rrosion over time in NaC1 solution

2.2 酸浸泡實(shí)驗(yàn)

首先稱量帶涂層試樣 T4,T5,T6及無涂層試樣W 2的初始質(zhì)量,然后將它們放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的 H2SO4溶液中,間斷浸泡18 h.經(jīng)浸泡后發(fā)現(xiàn):無涂層試樣的表面已完全失去金屬光澤,基體顏色嚴(yán)重發(fā)暗且呈黑色,而且黑色物質(zhì)很難清洗掉,表明基體表面已經(jīng)被硫酸溶液腐蝕,這層黑色物質(zhì)應(yīng)為鈍化膜;而三個(gè)帶涂層的試樣表面基本完好無損,無涂層脫落現(xiàn)象,表明涂層的耐酸腐蝕性能比基體金屬好.

圖2 試樣在 H2 SO4溶液中腐蝕量變化的曲線Fig.2 Co rrosion variation curves of the samp le in H2 SO4

圖2為試樣單位面積腐蝕量隨時(shí)間變化的曲線,帶涂層試樣的單位面積腐蝕量為三個(gè)試樣的平均值.從圖2可見,當(dāng)浸泡時(shí)間在6 h以內(nèi),帶涂層試樣的單位面積腐蝕量比無涂層試樣的高很多,6 h后帶涂層試樣的單位面積腐蝕量比無涂層試樣的小,耐酸腐蝕性比無涂層試樣的提高了近1倍.無涂層試樣的腐蝕變化曲線比較平緩,這是由于不銹鋼在腐蝕過程中發(fā)生了鈍化,在表面形成了一層均勻的鈍化膜,從而使腐蝕變得緩慢.同時(shí),在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn):在裝有無涂層試樣燒杯中的硫酸溶液由無色透明變成淺綠色,這是因?yàn)榱蛩崤c不銹鋼基體發(fā)生了反應(yīng),生成了 Fe2+;而在裝有帶涂層試樣的燒杯中并無此現(xiàn)象產(chǎn)生,說明基體表面的涂層起到了保護(hù)作用,使基體未受到硫酸溶液的腐蝕.

2.3 鹽霧實(shí)驗(yàn)

首先在噴霧前用環(huán)氧樹脂封住試樣的五個(gè)面,并對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào),帶涂層的分別為 T7,T8和 T9,無涂層的為W 3,然后稱量它們的初始質(zhì)量.用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液進(jìn)行鹽霧實(shí)驗(yàn),噴霧時(shí)間設(shè)定為48 h,每8 h為一個(gè)周期,每個(gè)周期噴霧結(jié)束后稱試樣質(zhì)量,將每次稱的質(zhì)量與初始質(zhì)量相比較,計(jì)算試樣的單位面積腐蝕量,通過比較兩種試樣單位面積腐蝕量的大小來判斷它們耐蝕性能的強(qiáng)弱.

經(jīng)鹽霧實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),不帶涂層的不銹鋼基體表面沒有腐蝕前富有光澤且稍微發(fā)暗,可推斷基體已被部分腐蝕;帶涂層試樣,除一個(gè)試樣的涂層有部分脫落外,另兩個(gè)試樣的涂層幾乎沒有脫落,說明涂層對(duì)基體起了保護(hù)作用,使基體不受外界環(huán)境所侵蝕.

將三個(gè)帶涂層試樣的單位面積腐蝕量取平均值,然后與無涂層試樣的相比較,作出單位面積腐蝕量隨腐蝕時(shí)間變化的曲線(圖3).從圖3可見,無涂層試樣的單位面積腐蝕量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷變大,帶涂層試樣的單位面積腐蝕量隨時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大.這表明陶瓷涂層在海洋環(huán)境中耐腐蝕性比普通金屬好,帶涂層試樣比無涂層試樣的耐海水腐蝕性能提高了近1.7～2.8倍.

圖3 單位面積腐蝕量隨時(shí)間變化的曲線Fig.3 Variation curve of samp le’s per-unit-area co rrosion over time

3 結(jié) 論

采用料漿法在金屬基體上涂覆陶瓷涂層可以改善金屬材料的抗腐蝕性能,帶有陶瓷涂層的1Cr18Ni9鋼的耐鹽腐蝕性比沒有涂層的提高了近1.5～2倍、耐酸腐蝕性提高了近1倍、耐海水腐蝕性提高了1.7～2.8倍.

[1]高大志,馬學(xué)虎,彭喬,等.鋁基硅酸鹽陶瓷涂層耐蝕性能研究[J].2003,17(4):9-12.

[2]徐濱士,劉世參.表面工程[M].第1版.北京:機(jī)械工程出版社,2000:86-87.

[3]肖紀(jì)美.不銹鋼金屬學(xué)問題[M].第1版.北京:冶金工業(yè)出版社,2000:6-7.

The corrosion resistance of ceram ic coating on 1Cr18Ni9 by slurry concen tration process

L IU Rui-juan,YAO Zhi-ying
(School of M echanical and Electrical Engineering,Hebi Vocational Technical College,Hebi 458030,China)

The paper studied the co rrosion resistance of ceramic coating on 1Cr18Ni9 by slurry concentration p rocess w ith albite,M gO,SiO2and A l2O3as aggregates,and A l(H2PO4)3as the binder.The results show ed that w ith the ceramic coating,salt co rrosion resistance of 1Cr18Ni9 increased by 1.5-2 times,acid corrosion resistance by 1 time,and seawater corrosion resistance by 1.7-2.8 times.

slurry concentration p rocess;ceramic coating;corrosion resistance

TG174.453

A

1673-9981(2011)01-0042-03

2010-08-27

劉瑞娟(1983—),女,河南安陽人,助教,學(xué)士.