磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層的制備與性能研究

張 好，張瀟華，趙保鋼，馬正凱 （山東石油化工學(xué)院，山東東營(yíng) 257061）

0 引言

鋼鐵作為一種極其重要的材料雖然已被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，但其在使用過(guò)程中易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，降低了材料的使用安全系數(shù)，這會(huì)造成潛在的安全隱患，一旦發(fā)生安全事故，可能會(huì)造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

達(dá)克羅涂層是一種簡(jiǎn)單、有效的防腐蝕方法，也是目前最常用的金屬防腐技術(shù)［1-2］。達(dá)克羅涂層在涂覆和固化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。近年來(lái)，達(dá)克羅無(wú)鉻鋅鋁涂層因其較高的耐熱性、超高的耐蝕性以及良好的可再涂性能等而得到廣泛的應(yīng)用［3］。

達(dá)克羅無(wú)鉻鋅鋁涂層主要由片狀鋅粉、片狀鋁粉、緩蝕劑、粘結(jié)劑、分散劑、增稠劑等混合制得。涂層的防腐蝕機(jī)理是緩蝕劑的鈍化作用、陰極的保護(hù)作用、鱗片的阻隔作用和涂層的自修復(fù)作用，其中緩蝕劑是影響高性能達(dá)克羅涂層制備的重要因素之一［4］。朱筱軍等［5］將金屬粉與復(fù)合磷酸鹽以及其他成分混合，制得的涂層具有較高的致密度、強(qiáng)度和耐蝕性；李慧瑩［6］利用鉬酸鈉制成無(wú)鉻鋅鋁涂層，當(dāng)鉬酸鈉的添加量為1.8 %時(shí)，該涂層有著最優(yōu)的綜合性能；周文娟等［7-8］在鋅鋁涂層制備時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加緩蝕劑有助于提高涂層的防腐性能?？梢?jiàn)，在提高涂層性能方面，緩蝕劑扮演了至關(guān)重要的角色。

達(dá)克羅無(wú)鉻鋅鋁涂層多采用磷酸鹽、鉬酸鹽和鎢酸鹽作為緩蝕劑，但對(duì)磷鉬酸鈉這一高效環(huán)保型緩蝕劑的研究相對(duì)較少。本研究以磷鉬酸鈉為緩蝕劑，控制其它因素保持不變，研究分析了不同含量磷鉬酸鈉對(duì)涂層性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

片狀鋅粉（99.99 %），南宮市固本合金焊材有限公司；片狀鋁粉（99.99 %），山東銀箭金屬顏料有限公司；緩蝕劑磷鉬酸鈉（分析純）、粘接劑硅烷偶聯(lián)劑KH-560（分析純）、增稠劑羥乙基纖維素，山東優(yōu)索化工科技有限公司；分散劑NP-10、聚乙二醇-200（分析純）、消泡劑異辛醇（分析純），無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司。

1.2 設(shè)備儀器

金相顯微鏡MDJ200，重慶奧特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司；顯微硬度計(jì)HV-1000，萊州市蔚儀實(shí)驗(yàn)器械制造有限公司；箱式電爐SX2-6-13，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；磁力加熱攪拌器HJ-4JINTAN，金壇區(qū)西城新瑞儀器廠；電子天平FA224，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；附著力測(cè)試儀QFHHG600，東菀市華國(guó)精密儀器有限公司。

1.3 制備工藝

A溶液的制備：取片狀鋅粉25 g、片狀鋁粉5 g置于干凈的燒杯中，然后在燒杯中加入22 mL聚乙二醇溶液，2 mL NP-10，攪拌1 h，使之均勻溶解。

B溶液的制備：準(zhǔn)備5個(gè)燒杯，在燒杯中分別放入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷鉬酸鈉緩蝕劑（0.29 %、0.35 %、0.41 %、0.47 %、0.53 %），取22 mL KH-560加入燒杯中，用磁力攪拌器攪拌1 h。

磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂料的制備：將A、B組分進(jìn)行混合，用磁力攪拌器對(duì)混合液攪拌8 h，并根據(jù)涂料情況加入適量的增稠劑和消泡劑，得到磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂料。

磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層的制備：將Q235金屬試樣浸入至涂料中，直到試樣表面涂覆均勻后取出，甩干。將涂覆好的試樣懸掛于坩堝上方，整體放入箱式電阻爐，在300 ℃下烘干25 min，然后冷卻至室溫。再次重復(fù)上述過(guò)程（二涂二烘），即可得到所需的磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層。

1.4 性能檢測(cè)

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26110—2010《鋅鋁涂層技術(shù)條件》對(duì)涂層宏觀形貌進(jìn)行評(píng)定；用金相顯微鏡MDJ200對(duì)涂層表面微觀形貌進(jìn)行觀察分析；用顯微硬度計(jì)HV-1000測(cè)試涂層硬度；參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》對(duì)涂層的附著力進(jìn)行評(píng)定；參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6073—1992《金屬覆蓋層實(shí)驗(yàn)室全浸腐蝕試驗(yàn)》對(duì)涂層進(jìn)行耐腐蝕性測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層宏觀形貌的影響

圖1為不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層的宏觀形貌的影響。由圖1a可見(jiàn)，添加了0.29 %的磷鉬酸鈉時(shí)，涂層表面粗糙度較大，呈現(xiàn)較暗的金屬光澤；由圖1b可見(jiàn)，添加了0.35 %的磷鉬酸鈉時(shí)，涂層的金屬光澤與之前相比有了明顯改善，涂層表面逐漸平整均勻；由圖1c可見(jiàn)，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.41 %時(shí)，其銀灰色金屬光澤更加明顯，表面光滑、平整，無(wú)漏涂等現(xiàn)象，涂層覆蓋均勻；由圖1d和圖1e可見(jiàn)，繼續(xù)增加磷鉬酸鈉后，涂層的外觀較0.41 %時(shí)有下降的趨勢(shì)，所制備的涂層表面平整卻不光滑。所以，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，得到的涂層表面效果較理想。

圖1 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層宏觀形貌的影響Figure 1 The effect of different contents of sodium phosphomolybdate on macrostate of chromium-free Zn-Al coating

2.2 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層微觀形貌的影響

圖2為不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層微觀形貌的影響。由圖2可見(jiàn)，不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層微觀形貌的影響并不大，涂層完整均勻，連續(xù)致密，片狀的鋅鋁粉末通過(guò)粘結(jié)劑緊密地結(jié)合在一起，幾乎找不到孔隙和裂紋的存在，形成了良好的屏障，有效地控制了腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入，進(jìn)而提高了涂層的抗腐蝕性能。

圖2 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層微觀形貌的影響Figure 2 The effect of different contents of sodium phosphomolybdate on microstructure of chromium-free Zn-Al coating

2.3 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層顯微硬度的影響

圖3為不同磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層的顯微硬度圖。由圖3可知，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29 %～0.35 %時(shí)，隨磷鉬酸鈉添加量的增加，涂層硬度由113.626 HV迅速增大到167.992 HV；當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35 %～0.41 %時(shí)，涂層的顯微硬度變化不明顯；當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %～0.47 %時(shí)，涂層的顯微硬度有小幅度增大，由168.873 HV增大到179.249 HV；當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.47 %～0.53 %時(shí)，涂層顯微硬度變化趨于平穩(wěn)，由179.249 HV增大到180.151 HV。綜上所述，隨著磷鉬酸鈉含量的提高，無(wú)鉻鋅鋁涂層的顯微硬度呈現(xiàn)出先大幅度提升后緩慢升高的趨勢(shì)。

2.4 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層附著力的影響

圖4為不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層附著力的影響。由圖4c可見(jiàn)，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，涂層在切割交叉處有少許剝落，受影響的交叉切割面積不大于5 %，涂層附著力良好，等級(jí)為1級(jí)；由圖4a和4e可見(jiàn)，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.29 %和0.53 %時(shí)，涂層在切割邊緣或交叉處有剝落，受影響的切割面積大于5 %且小于15 %，涂層附著力相對(duì)較差，等級(jí)為2級(jí)；由圖4b和4d可見(jiàn)，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35 %和0.47 %時(shí)，涂層在沿切割邊緣或部分格子處有脫落，受影響的切割面積大于15 %且小于35 %，涂層附著力極差，等級(jí)為3級(jí)。綜上，當(dāng)磷鉬酸鈉含量為0.41 %時(shí)，涂層的附著力最佳。

圖4 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層附著力的影響Figure 4 The effect of different contents of sodium phosphomolybdate on the adhesion of chromium-free Zn-Al coating

2.5 不同含量磷鉬酸鈉對(duì)無(wú)鉻鋅鋁涂層耐腐蝕性的影響

圖5為不同磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層在鹽水中浸泡480 h后的腐蝕情況。由圖5可見(jiàn)，5種磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層浸泡480 h后雖均未出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，卻有不同程度的起泡現(xiàn)象。當(dāng)添加0.41 %磷鉬酸鈉時(shí)，涂層表面的起泡程度最輕。所以，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %的磷鉬酸鈉所得到的涂層耐蝕性能最理想。

圖5 不同磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層在鹽水中浸泡480 h后的腐蝕情況Figure 5 Corrosion condition of chromium-free Zn-Al coating with different sodium phosphomolybdate contents after 480 hours of saline immersion

3 結(jié)語(yǔ)

在磷鉬酸鈉型無(wú)鉻鋅鋁涂層中，磷鉬酸鈉的含量對(duì)涂層的影響：1）當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，金屬表面光澤度最明顯，表面最光滑，平整度優(yōu)良、無(wú)漏涂等現(xiàn)象，涂層覆蓋均勻；2）當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29 %～0.53 %時(shí)，涂層微觀形貌變化不明顯，涂層完整均勻、連續(xù)致密。而涂層的顯微硬度卻隨磷鉬酸鈉含量的增加呈現(xiàn)先劇烈增加再緩慢增加的趨勢(shì)；3）當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，涂層的附著力達(dá)到最大，切口邊緣處只有少量涂層剝落，涂層附著力良好；4）在耐腐蝕試驗(yàn)中，當(dāng)磷鉬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，涂層的起泡現(xiàn)象不明顯，質(zhì)量變化較少。

綜上，當(dāng)磷鉬酸鈉緩蝕劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 %時(shí)，磷鉬酸鈉型無(wú)鉻涂層均勻致密、粗糙度較小，硬度、附著力、耐腐蝕等性能較好。