熱噴涂涂層封孔處理及其耐蝕性能研究

（馬鞍山馬鋼表面工程技術(shù)有限公司，馬鞍山 243021）

熱噴涂是將熔融或半熔融狀態(tài)微粒以高速沖擊到基體表面，形成具有一定特性涂層的表面處理方法[1]。這種涂層是由相互疊加的微粒構(gòu)成，疊加的微粒之間必然存在孔隙，尤其是貫穿性孔隙的存在。腐蝕介質(zhì)就有可能通過穿孔到達被保護基體的表面，使涂層與基體發(fā)生化學或電化學侵蝕，腐蝕產(chǎn)物在界面積累，使熱噴涂層龜裂、剝落，最終導致涂層失效[2]。

解決熱噴涂涂層存在孔隙的主要途徑是采用封孔技術(shù)，即將封孔劑涂覆并滲入熱噴涂涂層，填塞熱噴涂涂層的空隙，從而實現(xiàn)對熱噴涂涂層的封孔處理。

對于帶鋼熱鍍鋅線使用的沉沒輥和穩(wěn)定輥而言，其長時間浸沒在450～480℃溫度下的鋅液中，因此，沉沒輥和穩(wěn)定輥除了要求防粘鋅、防鋅液腐蝕外，還要求具有良好的耐磨損、耐酸腐蝕等性能。無機封孔劑如由鉻酸水溶液形成的化學膜、由金屬醇鹽系統(tǒng)組成的酒精水溶液形成的無機物膜和由磷酸鋁系統(tǒng)、水玻璃系統(tǒng)形成的溶膠—凝膠膜，盡管這些無機系列的封孔膜能在一定程度上阻止熔融的鋅液的滲透和粘附，但都不能適用于5%的稀硫酸。在常溫環(huán)境下，硅樹脂和有機環(huán)氧樹脂具有良好的耐稀硫酸作用，但其耐熱性差，不能用于480℃的操作環(huán)境。

目前我公司修復的沉沒輥、穩(wěn)定輥，經(jīng)超音速噴涂WC-12%Co涂層后，使用從日本KOKA公司進口的封孔劑進行封孔處理。盡管進口封孔劑的封孔效果較好，但成本非常昂貴，供方也不肯提供配方，且該封孔劑不能長時間保持，否則造成封孔劑封孔效果失效，這些都制約了公司發(fā)展。

本文提供了一種封閉性較好的復合封孔劑制備方法，可以改善沉沒輥、穩(wěn)定輥涂層的耐高溫腐蝕性能，抗粘鋅性能，涂層使用壽命提高1倍以上，且價格便宜，可滿足生產(chǎn)使用的需要，具有一定的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

1 試驗材料及方法

1.1 復合封孔劑的制備及優(yōu)化

本文設(shè)計的復合封孔劑由三部分組成，即：由SiO2、AL2O3和CrO3的水溶液組成的底層封孔劑；由CrO3水溶液組成的中間層封孔劑；由BN和CrO3的水溶液組成頂層封孔劑。封孔劑中Al2O3、SiO2皆選用納米粉末，CrO3選用工業(yè)鉻酸酐；BN選用超細粉末。三層封孔結(jié)構(gòu)具有不同的作用：其中，底層具有良好的耐熔融鋅液的性能和熱振性能。此外，封孔劑還能阻礙涂層與熔融鋅液之間的反應；中間層密度高，它能防止熔融鋅液和稀硫酸的滲透；頂層用于防止粘渣和粘鋅。

通過正交試驗設(shè)計和大量試驗，優(yōu)化三層復合封孔劑的合適配比。其中，底層封孔劑中CrO3、H2O、AL2O3和SiO2的重量份比為25：（50±4）：（7±2）：（18±4）；中間層封孔劑中CrO3、H2O的重量份比為（56±4）：（44±4）；頂層封孔劑中CrO3、H2O和BN的重量份比為28：（44±4）：（28±4）。

1.2 涂層的制備

選擇樣品尺寸為100mm×30mm×5mm的SUS316L不銹鋼為基體材料，采用超音速熱噴涂的方法制備WC-12%Co涂層，噴涂前試樣表面需進行除銹、噴砂處理。采用WokaStar@-640噴槍在試樣表面制備0.1mm厚的涂層。噴涂具體工藝參數(shù)如下：氧氣流量814NLPM；煤油流量23.1L/h；送粉速度45×2g/min；噴涂距離340mm。

1.3 封孔處理

封孔工藝：首先使用刷涂方法將底層封孔劑均勻的涂覆于熱噴涂涂層表面，并使其充分滲入到涂層的孔隙中；將封孔的涂層放在450～500℃溫度下保溫1～3小時；然后依次刷涂中間層封孔劑，再采用相同的固化工藝進行固化處理；最后刷涂頂層封孔劑，再采用相同的固化工藝進行固化處理。其中，CrO3在450～500℃的高溫下分解為三氧化二鉻和氧氣，即：

從化學反應方程式（1）中可以看出，原來六價的Cr離子轉(zhuǎn)變成三價的Cr離子，封孔劑的熱穩(wěn)定性得到大大增強。熱噴涂層封孔輪廓圖如圖1所示，封孔固化工藝如圖2所示。

圖1 熱噴涂層和封孔輪廓圖Fig.1 Thermal spray coating and its sealing morphology

圖2 熱噴涂層封孔固化曲線圖Fig.2 Sealing curve of thermal spray coatings

1.4 試樣的耐酸腐蝕、鋅腐蝕和抗粘鋅試驗

涂層工作在450～480℃的鋅液熱腐蝕環(huán)境中，沉沒輥和穩(wěn)定輥下線后輥面粘有金屬鋅和鋅渣，需要用5%的稀硫酸進行化學退鋅處理。耐鋅腐蝕和抗粘鋅試驗是將封過三層封孔劑的試樣放入實際運行的熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅鍋的鋅液中，與在線的沉沒輥、穩(wěn)定輥承受相同的沖擊和熱腐蝕，試驗時間與沉沒輥和穩(wěn)定輥的運行周期一致，然后將浸鋅的試樣放入5%硫酸濃度的溶液中，在常溫下檢測5天、10天、15天試樣表面的腐蝕情況。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 封孔前后涂層表面形貌

熱噴涂涂層封孔前后的表面形貌如圖3所示。從圖3(a)中可以清晰看到涂層的孔隙，涂層的孔隙率為0.56%。圖3(b)為封孔處理后的涂層，可見，涂層中的孔隙幾乎都被封孔劑封住。這說明封孔劑已經(jīng)滲入涂層中的孔隙，起到填充作用，顯著降低涂層的孔隙率，涂層的孔隙率為0.2%。此外，封孔劑還可以屏蔽或減緩外部腐蝕性介質(zhì)對涂層及基體的滲透作用，從而對涂層起到很好地保護作用，延長涂層的使用壽命。

圖3 涂層封孔前后形貌Fig.3 The morphology of the coatings before and after sealing treatment

2.2 試樣的耐酸腐蝕、鋅腐蝕和抗粘鋅試驗

2.2.1 耐酸腐蝕

封孔后的試樣放入5%硫酸濃度的溶液中，檢測室溫條件下5天、10天、15天試樣表面的腐蝕情況，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著浸在酸液中的時間加長，試樣表面顏色略有加深，但基本上并沒有出現(xiàn)明顯的腐蝕凹，這說明封孔處理涂層具有良好的耐酸性能。

圖4 涂層酸液腐蝕形貌Fig.4 Typical corrosion morphologies of the coating at various holding time

2.2.2 試樣的耐鋅腐蝕和抗粘鋅情況

將耐鋅腐蝕和抗粘鋅試驗的試樣放入實際運行的熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅鍋的鋅液中，試驗時間為15天。達到設(shè)計時間后將試樣從鋅液中提起，立即用鐵棒清除試樣表面的鋅液，觀察試樣表面的狀況，試驗結(jié)果如圖5所示，圖中從左之右依次為使用磷酸鋁+BN+Al2O3封孔的試樣；使用新配制三層復合封孔劑封孔的試樣和使用KOKA封孔劑封孔的試樣。研究結(jié)果表明，磷酸鋁+BN+Al2O3封孔的WC-12%Co涂層試樣表面粘附的鋅不易被清除，而使用新配制三層復合封孔劑封孔的WC-12Co涂層和使用KOKA公司進口封孔劑的涂層粘附的鋅容易被清除。

圖5 試樣封孔耐鋅腐蝕和抗粘鋅試驗Fig.5 Corrosion resistance and anti sticking zinc of the samples sealed

2.3 復合封孔劑試用

選用一只穩(wěn)定輥，在噴涂低碳WC-12%Co涂層上使用本文研制的三層復合封孔劑進行封孔處理，然后試用到生產(chǎn)線上運行一個周期，下線后用稀硫酸進行退鋅處理，觀察輥面的涂層狀況，結(jié)果如圖6所示。圖中上面的穩(wěn)定輥是經(jīng)過本文研制的復合封孔劑封孔處理的，下面的穩(wěn)定輥是經(jīng)過國外進口封孔劑封孔處理的。從圖中可以看出，經(jīng)試用后的輥面涂層質(zhì)量較好，沒有發(fā)生明顯的鋅腐蝕和輥面粘鋅情況，兩者效果一樣，沒有區(qū)別。說明本文研制的復合封孔劑具有良好的抗鋅腐蝕和粘鋅性能，其性能能達到國外進口封孔劑的效果。

圖6 工件封孔耐鋅腐蝕和抗粘鋅試驗Fig.6 The workpiece hole sealing zinc corrosion resistance and anti sticking zinc test

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計三層復合封孔劑，即：由SiO2、AL2O3和CrO3的水溶液組成的底層封孔劑、由CrO3水溶液組成的中間層封孔劑和由BN和CrO3的水溶液組成的頂層封孔劑。試驗證明該復合封孔劑能很好的應用于沉沒輥和穩(wěn)定輥超音速噴涂層封孔處理。該復合封孔劑具有良好的封孔性能、耐高溫、耐酸腐蝕、耐鋅腐蝕和抗粘鋅等性能。

（2）采用刷涂的方法，在涂層表面進行封孔處理。涂層表面的孔隙基本被封住。封孔劑可滲入涂層中的孔隙中起到填充作用，從而顯著降低涂層的孔隙率。封孔處理后封孔層可以屏蔽或減緩外部腐蝕介質(zhì)對涂層及基體的滲透作用，從而起到有效的防護作用。