金屬基陶瓷復(fù)合涂層制備研究

張慶海，于春雨，李文博

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

金屬材料廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中[1-2]，環(huán)境因素如濕度、鹽霧和輻射等對其腐蝕，影響其使用壽命[3]，輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則產(chǎn)生安全隱患[4]。有資料顯示，全球范圍每年因腐蝕產(chǎn)生的損失占國民生產(chǎn)總值GDP 的5%左右[5-6]。我國海洋產(chǎn)業(yè)的腐蝕損失在全國全部腐蝕損失中的占比約為1/3[7]，若采取切實(shí)有效的措施，可減少近6 000 億元的經(jīng)濟(jì)損失[8]?？梢?，金屬防腐蝕尤為必要。

常用的方法主要有陰極保護(hù)法和鍍覆保護(hù)涂層[9]。其中，陰極保護(hù)防腐主要將被保護(hù)金屬作為陰極，將腐蝕電位低的金屬或合金作為陽極，以犧牲陽極為代價(jià)進(jìn)行防腐[10]。鍍覆保護(hù)涂層防腐是利用涂層材料在金屬表面形成致密的膜，將金屬與外界環(huán)境分隔[11]，以減少金屬的腐蝕。在眾多傳統(tǒng)有機(jī)涂層中，有機(jī)硅樹脂因附著力相對較弱，使得防腐效果不理想；環(huán)氧樹脂固化后脆性較大，易被自然環(huán)境中的氯離子等侵襲，而產(chǎn)生缺陷；因此，開發(fā)防腐使用壽命涂層系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。

首先依據(jù)原配方制備試件；對試件進(jìn)行性能測試；再對測試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析；根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果優(yōu)化配方，重新制備試件并進(jìn)行性能測試；最后將測試結(jié)果進(jìn)行對比，得到最優(yōu)比例配方。

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)原料。硫酸鈷（CoSO4）與硫酸鎳（NiSO4），質(zhì)量比約為1∶15；磷酸（H3PO4）與亞磷酸（H3PO3），質(zhì)量比約為1∶2；硼化鈦（TiB2）與碳化硅（SiC），質(zhì)量比為1∶1；此外，還需要檸檬酸（CA）、氮化硼（BN）、光亮劑、鉬酸鈉（Na2MoO4）和蒸餾水。

（2）儀器及設(shè)備。電子天平，掃描電子顯微鏡；X 射線衍射儀；UMT-2 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；萬能材料試驗(yàn)機(jī)；Thermo Kalpha X 射線光電子能譜儀；自制電沉積工藝設(shè)備。如圖2 所示。

圖2 電沉積工藝裝備示意圖

1.2 制備方法及工藝流程

將SiC、TiB2、BN 和H3PO4投放到物料混煉機(jī)內(nèi)進(jìn)行備料混煉，轉(zhuǎn)速為600 r/min，混煉時(shí)間超過25 min。然后加入NiSO4、CoSO4、Na2MoO4、CA、H3PO3和光亮劑，再加入適當(dāng)比例的蒸餾水充分?jǐn)嚢?，備用?/p>

電沉積工藝流程如圖3 所示。

圖3 電沉積工藝流程

由圖3 可知，電沉積工藝流程主要包括前處理工藝、電沉積、后處理工藝及熱處理過程。其中，前處理工藝即為基本表面處理，主要包括基體拋光、電解脫脂去油、熱水洗、冷水洗、刻蝕、熱水洗、冷水洗；電沉積工藝為核心工藝；后處理工藝即鍍層表面處理，主要包括熱水洗、冷水洗、干燥；熱處理工藝可按照需求調(diào)整。

1.3 樣品試制及性能測試

依據(jù)本文1.2 節(jié)，按表1 配方制備3 種試件，記為A、B、C。

表1 電沉積反應(yīng)槽組分含量

依據(jù)GB/T 9261—2008《甲板漆》和MIL-PRF-24667C《輥涂、噴涂及自粘附施工的防滑甲板涂料體系》確定試驗(yàn)樣品表征為硬度和抗沖擊次數(shù)。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》、SY/T 0040—2013《管道防腐層抗沖擊性試驗(yàn)方法（落錘試驗(yàn)法）》，分別對鍍件進(jìn)行表面硬度測試和抗沖擊測試，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鍍層表面硬度及抗沖擊次數(shù)

1.4 相關(guān)性分析

為了確定試驗(yàn)樣品主要成分與硬度及抗沖擊次數(shù)的關(guān)系，利用相關(guān)系數(shù)ρxy來分析試劑成分與抗沖擊次數(shù)、鍍層表面硬度等之間的相關(guān)性，ρxy的值越大，表示xi和yj之間的相關(guān)性越強(qiáng)，ρxy定義如式（1）所示[13-14]相關(guān)系數(shù)和相關(guān)程度的關(guān)系見表2，相關(guān)系數(shù)矩陣如圖5 所示。

圖5 相關(guān)系數(shù)矩陣

表2 相關(guān)系數(shù)和相關(guān)程度的關(guān)系

式中：ρxy表示變量x、y 之間的相關(guān)性。

2 樣品制備及性能測試

參照圖5 及專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整物料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表3。

表3 調(diào)整后物料成分

依據(jù)本文1.2 節(jié)及表3 制備樣品，記為D。對D 組樣品進(jìn)行抗沖擊次數(shù)測試和硬度檢測?？箾_擊次數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果為11 次，硬度為1 050 HV。

3 應(yīng)用實(shí)例

將D 組樣品用于鉻鎢鉬合金鋼金屬輥道（外徑為180 mm，高度為195 mm）鍍覆，鍍層厚度120 μm，鍍覆效果如圖6 所示。

由圖6 可以看出，鍍層均勻、規(guī)整度好、表面光潔。并且研究成果經(jīng)某企業(yè)試用，破磷機(jī)輥和軋鋼輥道上試用前后的對比效果如圖7 所示。

圖6 金屬輥道鍍覆效果圖

圖7 使用效果對比圖

可從圖7（a）看出，未鍍覆涂層的軋鋼輥道服役7d 表面銹蝕，并且嚴(yán)重磨損。鍍覆了D 組涂層的軋鋼輥道服役21d 表面未被銹蝕，僅顯現(xiàn)少許磨損，仍能滿足服役需求。

4 結(jié)束語

制備了4 種組份的金屬基陶瓷復(fù)合涂層材料，并對其進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明D 組份涂層材料硬度最高，可達(dá)1 050 HV，抗沖擊次數(shù)達(dá)11 次；將其應(yīng)用于鉻鎢鉬合金鋼金屬輥道，服役21 d，未出現(xiàn)銹蝕，仍能滿足服役需求。為新涂層材料的研發(fā)提供參考。

采用相關(guān)系數(shù)對涂層進(jìn)行物料成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)優(yōu)化，為優(yōu)化涂層材料物料成分配比提供新思路。