鋼制電纜橋架防腐蝕試驗研究

李俊輝，楊國華，宋鐵創(chuàng)，徐健濤，李凱勇

（1.平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467000；2.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海西寧 810007）

電纜橋架主要起支撐和保護(hù)電纜的作用，使電纜按要求敷設(shè)的同時與外界隔離。根據(jù)材質(zhì)不同，電纜橋架分成玻璃鋼電纜橋架、不銹鋼電纜橋架、鋁合金電纜橋架和鋼制電纜橋架等［1-2］。與其它材質(zhì)的電纜橋架相比，鋼制電纜橋架成本較低，在諸多行業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。然而，鋼制電纜橋架的耐腐蝕性能差，必須進(jìn)行防腐蝕保護(hù)才能較好地滿足使用要求。目前可以采用熱鍍鋅、磷化、噴漆、靜電粉末噴涂等方式對鋼制電纜橋架進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。其中，熱鍍鋅處理后的鋼制電纜橋架耐腐蝕性能很好，但容易造成形變，而且對鋼制電纜橋架的結(jié)構(gòu)形式也有特別要求。靜電粉末噴涂處理后的鋼制電纜橋架具有良好的外觀和耐腐蝕性能，但工藝流程較為復(fù)雜，而且能耗和成本相對較高。噴漆雖然成本低，但處理后的鋼制電纜橋架耐腐蝕性能較差，需定期維護(hù)。磷化對鋼制電纜橋架的結(jié)構(gòu)形式無特別要求，由于工藝流程較簡單，加之磷化膜均勻致密，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚砗缶哂辛己玫哪透g性能，因此展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景［3-6］。

目前，磷化尚未較大規(guī)模的用于鋼制電纜橋架防腐蝕保護(hù)。從推動技術(shù)應(yīng)用的角度，開展這方面的研究具有現(xiàn)實意義。筆者以制造電纜橋架常用材料Q235A 鋼板作為研究對象，通過磷化處理對Q235A 鋼板進(jìn)行防腐蝕保護(hù)，并對磷化膜進(jìn)行封閉處理，以期為鋼制電纜橋架防腐蝕保護(hù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗

1.1 材料

Q235A 鋼板經(jīng)打磨后除油污，再依次用無水乙醇清洗、稀鹽酸浸蝕，最后用去離子水清洗。

1.2 磷化處理

第一步：使用磷酸二氫鋅、硝酸鋅、氟化鈉、硝酸鎳和去離子水配制鋅系磷化液，成分如表1 所示。第二步：使用集熱式磁力攪拌器將配制的磷化液攪拌均勻，同時預(yù)熱至60 ℃。第三步：處理后的裸鋼板先進(jìn)行表調(diào)，然后浸入預(yù)熱至60 ℃的磷化液中，30 min后取出。

表1 鋅系磷化液成分Tab.1 Components of zinc phosphating solution

1.3 封閉處理

第一步：使用硅酸鈉、鉬酸鈉和去離子水配制封閉液，具體成分如表2 所示，攪拌均勻后預(yù)熱至75 ℃。第二步：將磷化后的裸鋼板浸入封閉液中進(jìn)行封閉處理，12 min后取出。第三步：處理后的裸鋼板用去離子水清洗干凈。

表2 封閉液具體成分Tab.2 Special components of sealing solution

1.4 表征和性能測試

采用Inspect F50 型掃描電鏡表征裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的表面形貌，同時分析它們的成分。按GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》，采用劃格法測定未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的結(jié)合力。

采用PARSTAT 4000A 型電化學(xué)工作站測試裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的極化曲線，并采用PowerSuite軟件對測試結(jié)果進(jìn)行擬合，作為評價它們的耐腐蝕性能的依據(jù)。電解池為標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，參比電極、輔助電極和工作電極分別為飽和甘汞電極、鉑片、封裝好的試樣，電解液為3.5%氯化鈉溶液，在±250 mV的電位范圍內(nèi)進(jìn)行測試，掃描速率為0.5 mV/s。

按GB/T 10124—1988《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》進(jìn)行浸泡腐蝕試驗，裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜都在3.5%氯化鈉溶液中浸泡72 h，間隔一定的時間觀察腐蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌、成分和結(jié)合力

圖1 所示為裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的表面形貌。可以看出，在裸鋼板表面有較深的磨痕，且在磨痕底部及邊緣處堆積了少量磨屑。在未處理的磷化膜和處理后的磷化膜表面都不存在磨痕，說明磷化膜完全覆蓋裸鋼板表面，將打磨痕跡覆蓋。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，未處理的磷化膜呈現(xiàn)類山脊?fàn)铖薨櫺蚊?，表面比較粗糙和疏松，而處理后的磷化膜表面相對平整致密。無論是未處理的磷化膜還是處理后的磷化膜，都與裸鋼板結(jié)合緊密，結(jié)合力可以達(dá)到劃格法測試評定標(biāo)準(zhǔn)中的0級（最高級）。

圖2 所示為未處理的磷化膜和處理后的磷化膜表面輪廓曲線?？梢钥闯觯刺幚淼牧谆け砻孑喞鸱潭容^大，而處理后的磷化膜表面輪廓只有微小的起伏。這進(jìn)一步證明封閉處理使磷化膜表面相對平整、致密。

圖3和表3所示為裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜能譜分析結(jié)果。由表3 可知，裸鋼板的主要成分為Fe 和C，其中Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%。未處理的磷化膜主要成分為Zn、P 和O，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為38.14%、14.05%和38.09%。處理后的磷化膜成分除了Zn、P 和O，還有少量的Na和Si，均來源于封閉液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3.82%和0.39%。

圖1 裸鋼板、未處理磷化膜和處理后的磷化膜的表面形貌Fig.1 Surface morphology of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film

圖2 未處理的磷化膜和處理后的磷化膜表面輪廓曲線Fig.2 Surface contour curve of untreated phosphating film and treated phosphating film

圖3 裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜能譜圖Fig.3 Energy spectrum diagram of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film

表3 裸鋼板、未處理磷化膜和處理后磷化膜能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy spectrum analysis results of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film

將未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的表面形貌及成分進(jìn)行對比，可以得出結(jié)論：硅酸鈉通過物理作用填充磷化膜晶粒間的縫隙，使磷化膜的結(jié)晶缺陷得到一定的修復(fù)。因而處理后的磷化膜表面更加平整致密，該結(jié)論與已報到的研究結(jié)果一致。

2.2 耐腐蝕性能

圖4 所示為裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜的極化曲線，它們的腐蝕電位（Ecorr）、腐蝕電流密度（Jcorr）和極化電阻（Rcorr）如表4 所示。裸鋼板經(jīng)磷化處理后，腐蝕電位從－683.0 mV 正移到了－530.2 mV，腐蝕電流密度從6.02×10-5A/cm2降低到2.77×10-5A/cm2。說明通過磷化處理可以降低裸鋼板的腐蝕傾向性，減緩其腐蝕速率，從而提高耐腐蝕性能。處理后磷化膜的腐蝕電位正移到－507.8 mV，腐蝕電流密度則降低到4.32×10-6A/cm2，與裸鋼板的腐蝕電流密度相比下降了一個數(shù)量級，說明封閉處理使磷化膜的耐腐蝕性能進(jìn)一步提高。

圖4 裸鋼板、未處理磷化膜和處理后磷化膜的極化曲線Fig.4 Polarization curve of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film

表4 極化曲線相關(guān)參數(shù)Tab.4 Parameters of polarization curve

磷化膜作為一種不溶的且具有較高附著強度的膜層，在腐蝕性溶液中可以對裸鋼板表面起到隔離保護(hù)作用，其原理是通過抑制電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，同時阻止腐蝕性溶液滲透，從而使裸鋼板不容易被腐蝕，并抑制腐蝕的發(fā)展［7-10］。與未處理的磷化膜相比，處理后的磷化膜表面更加平整、致密，一方面可以更有效地阻擋腐蝕性溶液滲透，使腐蝕性溶液與裸鋼板接觸更加困難，從而對裸鋼板表面起到可靠的隔離保護(hù)作用。另一方面，處理后的磷化膜具有更好的絕緣性能，在完整無損的情況下，裸鋼板表面很難形成腐蝕微電池。即便是發(fā)生破損，腐蝕性溶液也會被限制在局部區(qū)域而不致向周圍發(fā)展。

由表4 還可知，裸鋼板磷化處理后，極化電阻增大到1.44 kΩ·cm2。處理后的磷化膜的極化電阻更大，約為裸鋼板極化電阻的3 倍。這同樣說明磷化膜起到抑制裸鋼板腐蝕的作用［11-12］，且封閉處理使磷化膜的耐腐蝕性能進(jìn)一步提高。

表5 所示為裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜在氯化鈉溶液中浸泡不同時間的腐蝕情況。在氯化鈉溶液中浸泡12 h，裸鋼板表面出現(xiàn)了黃褐色銹，生銹面積占到50%左右。此時未處理的磷化膜表面也出現(xiàn)了輕微銹跡，生銹面積小于10%。相比之下，處理后的磷化膜表面無明顯銹跡。在氯化鈉溶液中浸泡24 h，裸鋼板表面生銹面積擴(kuò)大到80%左右，此時處理后的磷化膜表面也出現(xiàn)了銹跡，但生銹面積小于10%。在氯化鈉溶液中浸泡48 h，裸鋼板表面全部生銹，局部呈深褐色。此時未處理的磷化膜生銹面積占到50%左右，處理后的磷化膜生銹面積占到30%左右。在氯化鈉溶液中浸泡至72 h，未處理的磷化膜生銹面積接近100%，此時處理后的磷化膜生銹面積也達(dá)到80%。從腐蝕情況來看，磷化膜的耐腐蝕性能強于裸鋼板，但隨著浸泡時間延長，氯化鈉溶液對磷化膜的侵蝕破壞程度加重導(dǎo)致磷化膜的耐腐蝕性能逐漸下降。

表5 裸鋼板、未處理磷化膜和處理后磷化膜的腐蝕情況Tab.5 Corrosion status of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film

圖5 裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜在氯化鈉溶液中浸泡48 h的表面形貌Fig.5 Surface morphology of cold-rolled steel plate，untreated phosphating film and treated phosphating film immersed in sodium chloride solution for 48 h

圖5 所示為裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜在氯化鈉溶液中浸泡48 h的表面形貌?？梢钥闯觯沅摪灞砻娓街罅渴杷傻母g產(chǎn)物，表層出現(xiàn)了局部破損和嚴(yán)重凹陷。未處理的磷化膜和處理后的磷化膜表面也附著有疏松的腐蝕產(chǎn)物，但明顯較少，進(jìn)一步證實了磷化膜起到抑制裸鋼板腐蝕的作用，且封閉處理使磷化膜的耐腐蝕性能進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

（1）裸鋼板、未處理的磷化膜和處理后的磷化膜表面形貌和成分有所不同，裸鋼板的主要成分為Fe和C，磷化膜的主要成分為Zn、P 和O，處理后的磷化膜成分除了Zn、P 和O，還有少量的Na 和Si。裸鋼板表面存在磨痕，磷化膜能完全覆蓋裸鋼板表面的磨痕，處理后的磷化膜表面相對平整致密。

（2）磷化膜可以起到抑制裸鋼板腐蝕的作用，封閉處理使磷化膜的耐腐蝕性能進(jìn)一步提高，對裸鋼板表面起到可靠的隔離保護(hù)作用。研究證實，通過磷化處理并對磷化膜進(jìn)行封閉處理，可以作為鋼制電纜橋架防腐蝕保護(hù)的方式。